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¿Cómo evolucionaron los peces la capacidad de respirar en tierra?

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No tiene sentido. Sería como si un humano desarrollara la capacidad de respirar en la luna sin un traje espacial.

¿Cómo podría el organismo llevar a cabo tal adaptación evolutiva, cuando la evolución de la misma implica la muerte del organismo, impidiendo que pueda evolucionarlo en un principio, porque la variación no puede desarrollarse, o transmitirse al organismo? población debido a que necesita ser funcional para sobrevivir.

Además, ¿cómo obtiene un organismo la nueva información necesaria para obtener esas adaptaciones de respiración terrestre o respiración lunar, a partir de un genoma que aún no tiene esa capacidad codificada en su morfología genética en primer lugar?


Los órganos llenos de aire derivados del tubo intestinal (es decir, vejigas de aire, vejigas de gas y pulmones) tienen una distribución muy amplia entre los peces en general, por lo que la explicación más parsimoniosa es que los primeros tetrápodos terrestres ya tenían una estructura similar a un pulmón .

La imagen de abajo (de Kardong's Vertebrados) muestra dos clados principales de peces, Actinopterygii (peces con aletas radiadas) y Sarcopyerygii (peces "con aletas carnosas", que incluyen tanto peces pulmonados como tetrápodos). Dada la amplia distribución, es casi seguro que un órgano homólogo estaba presente en el ancestro común más reciente de estos dos grupos. No sé cuál es la evidencia de los pulmones más abajo en el árbol, por lo que no estoy seguro de la pérdida de pulmones en Chondrichthyes (tiburones, rayas, rayas).


Haces dos preguntas. Siempre es mejor restringir una publicación a una sola pregunta precisa y suficientemente restringida. No proporcionaré una revisión completa de cómo ocurrió el origen de los tetrápodos. Solo le doy algunas críticas a su pregunta, dé algunas palabras sobre la evolución de los pulmones, analice su comparación con "respirar en la luna" y responda su pregunta sobre el origen de la variación genética.

¿Cómo evolucionaron los peces la capacidad de respirar en tierra?

Esta pregunta es demasiado amplia, debería reducirla. Dices que esta evolución es imposible pero deberías aportar algún argumento para que podamos discutirlos. Por el momento no hay mucho de qué hablar. Lo único que se podría hacer es revisar toneladas de artículos sobre la evolución de los tetrápodos. Apuesto a que te interesa la evolución de los pulmones durante el origen del linaje de los tetrápodos. Si es así ... En resumen, la vejiga natatoria y los pulmones son órganos homólogos. Según esto, en el momento en que evolucionaron los animales parecidos a los tetrápodos, estos órganos se utilizaron para tragar aire en un ambiente pobre en oxígeno. Estos órganos luego evolucionaron en varias formas de pulmones como los conocemos hoy en vertebrados terrestres y no terrestres. Este órgano también evolucionó aún más para controlar la flotabilidad. Nota: Varias fuentes populares brindan información diferente. Uno necesitaría entrar en algunos artículos para asegurarse de detalles como "¿Este órgano ya se usó para controlar la flotabilidad antes de la especiación de los tetrápodos?".

Aquí hay una fuente simple que le puede gustar.

Dices que la evolución de las habilidades para respirar en la atmósfera de los tetrápodos es como la evolución de las habilidades para respirar en la luna en los seres humanos. Bueno, hay varias diferencias que deben tenerse en cuenta que hacen que la luna realmente no sea un lugar agradable para vivir. ¡La temperatura, por ejemplo, se extiende entre 100 K y 373 K según este wiki! Pero olvidémonos de estos otros factores ecológicos. Una gran diferencia es que los humanos no viven en un entorno que ofrezca un gradiente de la atmósfera terrestre a la atmósfera lunar, mientras que los primeros animales parecidos a los tetrápodos vivieron en tal gradiente. Además, cuando hablas de humanos, parece que consideras la escala de tiempo incorrecta. Probablemente tomó bastante tiempo evolucionar de tetrápodos parecidos a peces a tetrápodos totalmente terrestres.

Es posible que desee echar un vistazo a esta interesante publicación. La vida aparentemente emergió del agua de forma independiente al menos 9 veces.

"¿Cómo obtiene un organismo la nueva información necesaria para obtener esas adaptaciones de respiración terrestre o de respiración lunar, a partir de un genoma que aún no tiene esa capacidad codificada en su morfología genética en primer lugar?"

Si entiendo su punto correctamente, podría reformular su pregunta en:

"Entiendo el proceso de Selección Natural (NS). Selecciona algunas variantes ya existentes, pero ¿qué proceso crea la variación a partir de la cual NS hace su selección?

Y la respuesta es: mutaciones. En sentido estricto (para que sea más fácil), una mutación es un cambio en una secuencia genética. Tal cambio ocurre típicamente durante la meiosis, proceso que ocurre en todas las reproducciones sexuales pero también ocurre durante cualquier mitosis (división celular estándar) u otras fases del ciclo celular.

En resumen, las mutaciones crean variaciones genéticas y las capacidades reproductivas diferenciales entre los individuos de una población dan como resultado una selección (llamada Selección Natural) de variantes que son las mejores para reproducirse.


12.7: Evolución de los vertebrados

  • Contribuido por CK-12: Conceptos de biología
  • Procedente de la Fundación CK-12

¿Qué tipo de pez es una perca simple?

¿Tiene columna vertebral parcial o completa? ¿Qué tal una mandíbula? ¿Crees que el endoesqueleto está hecho de cartílago o hueso? ¿Por qué son estos importantes pasos evolutivos? Un esqueleto óseo podría soportar un cuerpo más grande. Los primeros peces óseos evolucionaron hasta convertirse en peces modernos con aletas radiadas y lóbulos, que luego evolucionaron hasta convertirse en especies que podían salir del agua.


¿Cómo evolucionaron los peces la capacidad de respirar en tierra? - biología

La palabra "tetrápodo" significa "cuatro pies" e incluye todas las especies vivas hoy que tienen cuatro pies & # 151, pero este grupo también incluye muchos animales que no tienen cuatro pies. Eso es porque el grupo incluye todos los organismos (vivos y extintos) que descendieron del último ancestro común de anfibios, reptiles y mamíferos. Entonces, por ejemplo, el ictiosaurio, un reptil nadador extinto, es un tetrápodo a pesar de que no usó sus extremidades para caminar sobre la tierra. También lo es la serpiente, aunque no tiene extremidades. Y las aves y los humanos son tetrápodos aunque solo caminan sobre dos patas. Todos estos animales son tetrápodos porque descienden del ancestro tetrápodo descrito anteriormente, incluso si en segundo lugar han perdido sus "cuatro pies".


Los tetrápodos evolucionaron a partir de un organismo con aletas que vivía en el agua. Sin embargo, este antepasado no era como la mayoría de los peces con los que estamos familiarizados hoy. La mayoría de los animales que hoy llamamos peces son peces con aletas radiadas, el grupo más cercano a la raíz de este evograma. Los peces con aletas radiadas comprenden unas 25.000 especies vivas, mucho más que todos los demás vertebrados juntos. Tienen radios en las aletas, es decir, un sistema de rayos óseos a menudo ramificados (llamados lepidotrichia) que emanan de la base de la aleta.

Por el contrario, los otros animales del evograma (celacantos, peces pulmonados, todos los demás animales extintos, más los tetrápodos (representados por Charles Darwin)) tienen lo que llamamos "aletas carnosas" o "aletas lóbulos". Es decir, sus extremidades están cubiertas por músculos y piel. Algunos, como los celacantos, retienen lepidotrichia en los extremos de estas extremidades carnosas, pero en la mayoría de los animales de aletas carnosas se han perdido.

El antepasado común de todos esos organismos diferentes (aletas radiadas, celacantos, peces pulmonados, tetrápodos, etc.) no era ni una aleta lóbulo ni una aleta radiada. Este antiguo linaje de vertebrados tenía aletas (con lepidotrichia), escamas, branquias y vivía en el agua. Sin embargo, también tenían vejigas de aire (sacos llenos de aire) conectadas a la parte posterior de la garganta que podían usarse para respirar aire (es decir, como pulmones) o para controlar la flotabilidad. Las vejigas de aire de muchas aletas radiadas ya no se conectan a sus gargantas, por lo que no pueden respirar aire. En estas aletas radiales, la vejiga de aire se utiliza principalmente para el control de la flotabilidad y se conoce como vejiga natatoria. Por el contrario, los tetrápodos han tomado una ruta alternativa: han perdido la función de control de la flotabilidad de sus vejigas de aire y, en cambio, este órgano se ha elaborado para formar los pulmones que todos usamos para movernos en tierra.

Cuando pasamos celacantos y peces pulmonados en el evograma, encontramos una serie de formas fósiles que vivieron hace entre 390 y 360 millones de años durante el Período Devónico. Durante este intervalo, este linaje de organismos de aletas carnosas se trasladó del agua a la tierra. Muchas partes del esqueleto cambiaron a medida que evolucionaron nuevas innovaciones que permitieron la vida en la tierra.

Por ejemplo, los antepasados ​​en la base de este evograma vivían completamente en el agua y tenían cráneos altos y estrechos, con los ojos mirando hacia los lados y hacia adelante. Esto les permitió mirar a su alrededor en sus ambientes acuosos en busca de depredadores y presas. Sin embargo, a medida que los antepasados ​​de los primeros tetrápodos comenzaron a vivir en aguas menos profundas, sus cráneos evolucionaron para ser más planos, con ojos en la parte superior de la cabeza. Esto probablemente les permitió mirar hacia arriba para ver comida. Luego, cuando los tetrápodos finalmente se trasladaron completamente a la tierra y se alejaron del agua, muchos linajes una vez más desarrollaron cráneos que eran altos y estrechos, con ojos mirando hacia los lados y hacia adelante, lo que les permitía mirar alrededor de sus entornos terrestres en busca de depredadores y presas.

A medida que los linajes se trasladaron a aguas menos profundas y a tierra, la columna vertebral también evolucionó gradualmente. Puede que hayas notado que los peces no tienen cuello. Sus cabezas están simplemente conectadas a sus hombros, y sus vértebras individuales se ven bastante similares entre sí, en todo el cuerpo. Los cuellos móviles permiten que los animales terrestres miren hacia abajo para ver las cosas en el suelo que podrían querer comer. En los habitantes de aguas poco profundas y los habitantes de la tierra, la primera vértebra del cuello desarrolló diferentes formas, lo que permitió a los animales mover la cabeza hacia arriba y hacia abajo. Finalmente, la segunda vértebra del cuello también evolucionó, lo que les permitió mover la cabeza hacia la izquierda y hacia la derecha. Los tetrápodos posteriores desarrollaron cuellos con siete o más vértebras, algunas largas y otras cortas, que permitían incluso más movilidad.

Las vértebras con las que probablemente esté más familiarizado (¡como la nuestra!) Consisten en un centro en forma de carrete, que se conecta por delante y por detrás con otros centros. En la parte superior del centro hay espinas vertebrales y arcos a los que se unen los segmentos musculares, y laterales al centro están las costillas, estos músculos de anclaje que se flexionan a medida que los animales se mueven. Los peces nadan con movimientos laterales simples, por lo que sus arcos son relativamente rectos y en forma de aguja, al igual que sus costillas. Cuando come pescado y saca las espinas, esto es principalmente lo que está encontrando. Debido a que los peces viven en el agua, la gravedad no es un gran problema para ellos. Pero en tierra, un cuadrúpedo con una columna vertebral entre las extremidades anteriores y las traseras se enfrenta a los mismos problemas que un diseñador de puentes: el hundimiento. A medida que los organismos de aletas carnosas comenzaron a aventurarse en la tierra, desarrollaron una serie de articulaciones entrelazadas en cada vértebra, lo que les ayudó a superar la flacidez y mantener la columna recta con un mínimo esfuerzo muscular.


Forma de vértebra y conexiones en el tetrápodo temprano Acanthostega.

Un elemento de la columna vertebral humana.

La conexión entre la pelvis y las patas traseras en los primeros tetrápodos es un excelente ejemplo de exaptación. A esta conexión fusionada la llamamos sacro. Es extremadamente útil para los organismos terrestres porque les permite usar sus patas traseras de manera eficiente para la locomoción en tierra. Dado que los antepasados ​​acuáticos de los peces y los tetrápodos no tenían tal conexión, uno podría suponer que esta característica evolucionó por primera vez cumpliendo la función de permitir la locomoción terrestre. Sin embargo, la forma más temprana de esta conexión (como se ve en Acanthostega) evolucionó mientras estos precursores de tetrápodos aún vivían en el agua. Según la evidencia actual, Acanthostega parece haber sido completamente acuático, por lo que esta conexión probablemente evolucionó para funcionar en algo diferente a la locomoción terrestre. Solo más tarde, cuando los antepasados ​​de los tetrápodos se trasladaron a la tierra, este rasgo fue cooptado para el apoyo terrestre & # 151 y, tal como estaba, las vértebras adicionales se fusionaron de la misma manera, proporcionando más apoyo.

A medida que evolucionaron las extremidades y sus conexiones con el resto del esqueleto, los huesos de las extremidades asumieron funciones distintas y se perdieron muchos huesos. El húmero y el fémur ya estaban conectados a dos huesos externos (el radio y el cúbito en la extremidad anterior, la tibia y el peroné en la extremidad posterior). Esto es algo que evolucionó unos 30 millones de años antes de que los vertebrados llegaran a la tierra. Sin embargo, las conexiones musculares entre estos huesos comenzaron a cambiar en el camino hacia la tierra y permitieron que las extremidades se usaran para la locomoción terrestre. El tobillo estaba compuesto originalmente por muchos huesos pequeños dispuestos en dos filas, pero gradualmente muchos de estos huesos pequeños se fueron perdiendo. Los primeros animales que se acercaron a caminar sobre la tierra tenían ocho dígitos en cada extremidad. Con el tiempo, algunos de estos dígitos se perdieron, lo que llevó a animales con siete dígitos, luego seis y luego cinco, que es la condición común que ahora se observa en los tetrápodos vivos.

A medida que estos animales evolucionaron para vivir en la tierra, evolucionaron otros cambios en el resto de sus cuerpos. Muchos eventualmente perderían sus branquias, que solo funcionan bien para obtener oxígeno cuando están mojadas, y sus aletas de la cola se vuelven más pequeñas. De manera similar, perdieron el sistema de línea lateral, una red de canales sensibles a las vibraciones a lo largo del cráneo y la mandíbula, que no funciona sin agua.

Los entornos de los animales que se muestran en este evograma también cambiaron a lo largo del tiempo. De hecho, si tuviera que aventurarse de regreso a Arizona al comienzo de la "Era de los dinosaurios" en el período Triásico, hace unos 225 millones de años, encontraría aletas radiadas, celacantos y peces pulmonados viviendo en los pantanos, arroyos, y estanques temporales de ese día, junto con tiburones de agua dulce. Entonces, los hábitats que estos animales ocupan hoy en día no son necesariamente aquellos en los que siempre han vivido o en los que originalmente evolucionaron. Todavía no está claro exactamente dónde tuvo lugar ecológicamente la transición del agua a la tierra. Los paleontólogos han descubierto fósiles involucrados en esta transición preservados de hábitats de agua dulce, salobre y marinos. Independientemente de dónde ocurrió la transición, eventualmente los primeros ancestros de los primeros tetrápodos llegaron a la tierra, aunque no todos se quedaron. Algunas, como las ballenas, regresaron al agua.


Contenido

La longitud típica de una aleta de arco es de 50 cm (20 pulgadas) [4], las hembras suelen crecer hasta 65-70 cm (26-28 pulgadas), los machos hasta 50-65 cm (20-26 pulgadas). [5] Pueden alcanzar los 109 cm (43 pulgadas) de largo y pesar 9,75 kg (21,5 libras). [6] Las crías del año suelen crecer de 13 a 23 cm (5,1 a 9,1 pulgadas) en octubre. [7] Las hembras tienden a crecer más que los machos. [8] [9]

El cuerpo de la aleta de arco es alargado y cilíndrico, con los lados y el dorso de color oliva a marrón, a menudo con barras verticales y reticulaciones oscuras o patrón camuflado. La aleta dorsal tiene barras horizontales y la aleta caudal tiene barras verticales irregulares. La parte inferior es de color blanco o crema, y ​​las aletas emparejadas y la aleta anal son de color verde brillante. Durante la etapa larvaria, las crías de aproximadamente 7 a 10 mm (0,28 a 0,39 pulgadas) de longitud total son negras y parecen renacuajos. [10] Con aproximadamente 25 mm (0,98 pulgadas) de longitud total, se han descrito como placodermos en miniatura. [11] Crecen rápidamente y, por lo general, abandonan el nido entre 4 y 6 semanas después de la eclosión. [12] Los machos jóvenes tienen una mancha ocular negra en la base de la cola (pedúnculo caudal) que comúnmente está rodeada por un borde anaranjado-amarillento, mientras que la hembra es negra, si es que está presente. Se cree que el propósito de la mancha ocular es confundir a los depredadores, desviando los ataques desde la cabeza del pez hasta su cola, lo que le brinda al aleta de proa la oportunidad de escapar de la depredación. [7] [13] [14] El bowfin se llama así por su aleta dorsal larga y ondulada que consta de 145 a 250 radios y va desde la mitad de la espalda hasta la base de la cola.

El cráneo de la aleta de arco está formado por dos capas de cráneo, el dermatocráneo y el condrocráneo. La capa de condrocráneo no se puede ver porque se encuentra debajo de los huesos dérmicos. El cráneo de aleta de arco está formado por 28 huesos fusionados, que componen el dermatocráneo. El paladar está formado por tres huesos, el ectopterigoideo, el palatino y el vómer. Los dientes están en dos huesos, el premaxilar y el maxilar. Otros tres huesos forman la mandíbula inferior: el dentario, el angular y el surangular. La superficie craneal del cráneo está formada por las nasales, las antorbitarias, las lagrimales, las parietales, las intertemporales, las posparietales, las supratemporales, las extraescapulares, las postemporales y las operculares. La totalidad del cráneo está unida a la faja a través de otro conjunto de huesos. [15]

Bowfin se conoce a menudo como "fósiles vivientes" o "peces primitivos" porque conservaron algunos de los caracteres primitivos comunes a sus antepasados, [16] incluida una aleta caudal heterocercal modificada (redondeada externamente), un pulmón de vejiga de gas altamente vascularizado, vestigios de una válvula en espiral y una placa gular ósea. [16] [17] La ​​placa gular ósea se encuentra debajo de la cabeza en el exterior de la mandíbula inferior entre los dos lados del hueso de la mandíbula inferior. Otras características distintivas incluyen dientes largos y afilados y dos fosas nasales que sobresalen en forma de tubo. [13] A diferencia de todos los actinopterigios más primitivos, las escamas de aleta de arco se diferencian en que no son escamas ganoides, sino que son escamas cicloides grandes de una sola capa más cercanas en similitud a los teleósteos más derivados. [18] [19]

Peces de apariencia similar Editar

Cabezas de serpiente del norte (Channa argus) se confunden comúnmente con aleta de arco debido a las similitudes en apariencia, más notablemente su forma cilíndrica alargada y su aleta dorsal larga que corre a lo largo de su espalda. Las cabezas de serpiente del norte son peces piscívoros nativos de los ríos y estuarios de China, Rusia y Corea. [20] Sin embargo, a diferencia de las aletas de arco que son nativas de América del Norte, la cabeza de serpiente del norte se considera una especie invasora y dañina para el medio ambiente. [21] [22] Algunas diferencias contrastantes en la aleta de arco incluyen una mancha ocular negra en su pedúnculo caudal, una coloración tostada y oliva, una aleta anal más corta, una cabeza más redondeada y una mandíbula superior más larga que la inferior. [23]

La lota, un pez depredador nativo de los arroyos y lagos de América del Norte y Eurasia, también se confunde comúnmente con el aleta de arco. Los burbots se pueden distinguir por su cabeza plana y barbilla, aleta anal larga y aletas pélvicas situadas debajo de las aletas pectorales. [24]

El primer pez carecía de mandíbulas y usaba presión negativa para succionar la comida por la boca. La mandíbula de la aleta de arco es el resultado de su necesidad evolutiva de poder atrapar y comer presas más grandes y más nutritivas. Como resultado de poder recolectar más nutrientes, Bowfin puede vivir un estilo de vida más activo. La mandíbula de un bowfin tiene varias contribuciones. El maxilar y el premaxilar se fusionan y el condrocráneo posterior se articula con la vértebra, lo que permite que la mandíbula gire libremente. El suspensorio incluye varios huesos y se articula con el hocico, la caja del cerebro y la mandíbula. Cuando la mandíbula se abre, los músculos epaxiales levantan el condrocráneo que está unido a la mandíbula superior y los músculos aductores cierran la mandíbula inferior. Esta capacidad de abrir y cerrar la mandíbula permite que el aleta de arco se convierta más en un depredador, ya que puede atrapar presas más grandes y ser capaz de atraparlas mecánicamente y digerirlas. [25]

La columna vertebral en la aleta de arco está osificada y, en comparación con los peces anteriores, los centros son el soporte principal del cuerpo, mientras que en los peces anteriores la notocorda era la forma principal de soporte. Las espinas neurales y las costillas brindan soporte adicional y ayudan a estabilizar las aletas no emparejadas. En bowfin, las espinas neurales y las costillas también aumentan en prominencia, un aspecto evolutivo que les ayuda a estabilizar las aletas no apareadas. La evolución de la columna vertebral permite que la aleta resista la flexión lateral que somete la columna a compresión sin romperse. Esto, a su vez, permite que el aleta tenga movimientos más controlados y poderosos, en comparación con los peces que solo tenían una notocorda. El bowfin tiene una cola heterocercal redondeada que se asemeja a una cola homocercal. Este tipo de cola le da al cuerpo una forma aerodinámica que permite que la aleta mejore su capacidad de natación al reducir la resistencia. Este tipo de colas son comunes en los peces con vejigas gaseosas, porque la vejiga proporciona al pez flotabilidad natural. [25]

La aleta de arco es un actinopterígio, lo que significa que la cintura pectoral es en parte endocondral pero principalmente dérmica. En este grupo de peces, las aletas funcionan para maniobrar, frenar y para ligeros ajustes de posición. La cintura pectoral de la aleta tiene seis partes. El posttemporal, supraclítro, postcleitro, cleitro, escápulacoracoideo y la clavícula forman la cintura pectoral. La cintura pectoral está unida al cráneo. La cintura pectoral está compuesta principalmente de hueso dérmico y algo de hueso endocondral. Las aletas pectorales y pélvicas emparejadas de los peces son homólogas a las extremidades de los tetrápodos. [25]

Bowfin, al igual que otros fisostomas como los bichires (Polypteridae), los gars (Lepisosteidae) y el pez pulmonado (Dipnoi), son capaces de realizar una respiración bimodal. Pueden extraer oxígeno del agua al respirar a través de sus branquias, y también pueden romper la superficie del agua para respirar o tragar aire a través de un pequeño conducto neumático conectado desde su intestino anterior a la vejiga de gas. [26] [27] Al realizar una actividad física de bajo nivel, los bowfin obtienen más de la mitad de su oxígeno al respirar aire. [28] Bowfin tiene dos mecanismos distintos de respiración de aire que se utilizan para ventilar la vejiga de gas. Las respiraciones de aire tipo I son consistentes con la acción de exhalar-inhalar estimulada por hipoxia aérea o acuática para regular O2 Las respiraciones de aire tipo II con intercambio de gases se realizan únicamente mediante inhalación, que se cree que regula el volumen de la vejiga de gas para el control de la flotabilidad. [27] La ​​respiración bimodal ayuda a bowfin a sobrevivir y mantener su tasa metabólica en condiciones hipóxicas. [29] [30] [31] La tasa de respiración de aire es mayor en la oscuridad, cuando el pez está más activo. [4]

La sangre de aleta de arco puede adaptarse a aguas cálidas y ácidas. [7] El pez se vuelve inactivo en aguas por debajo de 10 ° C (50 ° F) [7] a esta temperatura casi no respiran aire, sin embargo, con el aumento de temperatura, su respiración de aire aumenta. [4] Su rango de temperatura preferido es de 12 a 26 ° C (54 a 79 ° F), siendo 18 ° C (64 ° F) la temperatura de máxima actividad. [32] La respiración de aire es máxima en el rango de 18,4 a 29,6 ° C (65,1 a 85,3 ° F).

El herpetólogo Wilfred T. Neill informó en 1950 que desenterró una aleta de arco que se encontraba en una cámara a 4 pulgadas (10 cm) debajo de la superficie del suelo, 8 pulgadas (20 cm) de diámetro, a 0,25 millas (0,4 km) de un río. Se señaló además que los niveles de inundación habían alcanzado previamente la zona y habían retrocedido. No es inusual que especies ribereñas como el aleta de arco se muevan hacia remansos con corrientes de inundación y queden atrapadas cuando los niveles de agua retroceden. [4] [33] [34] [35] Si bien la estivación está documentada de forma anecdótica por varios investigadores, los experimentos de laboratorio han sugerido en cambio que los aletas de arco son fisiológicamente incapaces de sobrevivir más de tres a cinco días de exposición al aire. Sin embargo, no se ha realizado ninguna manipulación de campo. [36] [37] Independientemente de la falta de evidencia que confirme la capacidad de estivar del aleta de arco, se ha observado que el aleta de arco puede sobrevivir a condiciones prolongadas de exposición al aire porque tiene la capacidad de respirar aire. Sus filamentos branquiales y laminillas son de estructura rígida, lo que ayuda a prevenir el colapso de las laminillas y favorece el intercambio de gases incluso durante la exposición al aire. [38]

Continúan las hipótesis contrapuestas y los debates sobre la evolución de Amia y parientes, incluida su relación entre los teleósteos basales existentes y la organización de clados. [39] Bowfin es el último miembro restante de Halecomorphi, un grupo que incluye muchas especies extintas en varias familias. [40] Los halecomorfos fueron generalmente aceptados como el grupo hermano de Teleostei, pero no sin lugar a dudas. Si bien se produjo un patrón de halecostome de clados neopterigios en análisis basados ​​en la morfología de actinopterigios existentes, se produjo un resultado diferente con taxones fósiles que mostraron un Holostei monofilético. Los Holostei monofiléticos también se recuperaron mediante al menos dos análisis de genes nucleares, en un estudio independiente de peces fósiles y existentes, [41] [42] y en un análisis de elementos genómicos ultraconservados. [43]

Los peces con aletas radiadas existentes de la subclase Actinopterygii incluyen 42 órdenes, 431 familias y más de 23.000 especies. [44] Actualmente se clasifican en dos infraclases, Chondrostei (holosteans) y Neopterygii (peces teleósteos). [45] Esturiones, peces espátula, bichires y cañaverales componen las treinta y ocho especies de condrosteos y se consideran especies relictas. Incluidas en las más de 23.000 especies de neopterigios hay ocho especies relictas que comprenden gars y bowfin. [44]

Infraclase Neopterygii Editar

Los neopterigios son la segunda aparición importante en la evolución de los peces con aletas radiadas y, en la actualidad, incluyen a la mayoría de los peces óseos modernos. [44] Se distinguen de sus antepasados ​​anteriores por cambios importantes en las mandíbulas, la forma del cráneo y la cola. Están divididos en tres divisiones:

  • División 1. Orden Lepisosteiformes - los gars relictos que incluyen especies de gars existentes que aparecieron por primera vez en el Cretácico.
  • División 2. Orden Amiiformes - el relicto de aleta de arco (halecomorphids), la única especie existente en el orden Amiiformes que se remonta al período Triásico.
  • División 3. División Teleostei: el grupo de tallos de Teleostei del que surgieron los peces modernos, incluida la mayoría de los peces óseos con los que estamos familiarizados hoy. [46]

Especies Editar

  • Amia depressaMarsh 1871
  • Amia dictyocephalaCope 1875
  • Amia elegansLeidy 1873
  • Amia exilisLambe 1908
  • Amia fragosa(Jordania 1927)
  • Amia godaiYabumoto y amp Grande 2013
  • Amia gracilisLeidy 1873
  • Amia lewesiensisMantell 1822
  • Amia macrospondylaCope 1891
  • Amia mediaLeidy 1873
  • Amia moriniPriem 1911
  • Amia newberrianaMarsh 1871
  • Amia selwynianaAmi 1891
  • Amia uintaensisLeidy 1873
  • Amia whiteavesianaCope 1891
  • Amia pattersoni
  • Amia scutataCope 1875
  • Amia calvaLinneo 1766 (Bowfin)

Evolución del genoma Editar

El genoma de bowfin contiene un grupo de genes ParaHox intacto, similar al bichir y a la mayoría de los otros vertebrados. Sin embargo, esto contrasta con los peces teleósteos, que tienen un grupo de ParaHox fragmentado, probablemente debido a un evento de duplicación del genoma completo en su linaje. La presencia de un grupo de genes ParaHox intacto sugiere que los ancestros de aleta de arco se separaron de otros peces antes de que apareciera el último ancestro común de todos los teleósteos. Bowfin es, por lo tanto, posiblemente un mejor modelo para estudiar la organización del genoma de vertebrados que los organismos modelo de teleósteos comunes como el pez cebra. [48]

Bowfin son depredadores acechadores y emboscados que habitualmente se mueven hacia las aguas poco profundas durante la noche para cazar peces e invertebrados acuáticos como cangrejos, moluscos e insectos acuáticos. [49] Los aletas jóvenes se alimentan principalmente de pequeños crustáceos, mientras que los adultos son en su mayoría piscívoros, pero también se sabe que son oportunistas. [50] Los Bowfin son muy ágiles, pueden moverse rápidamente por el agua y tienen un apetito voraz. [5] [13] Su aleta dorsal ondulada los impulsa silenciosamente a través del agua mientras acechan a sus presas. El ataque es sencillo y rápido con un movimiento que dura aproximadamente 0.075 segundos. [32] También hubo algunos estudios sobre la capacidad de la aleta de arco para sobrevivir sin comida. En 1916, una hembra de aleta de arco estuvo muerta de hambre durante veinte meses. [51] Fue el período más largo que un vertebrado había estado sin comida, por lo que el escritor sabía durante la observación. Algunos estudios independientes se centran en la capacidad del aleta de arco para utilizar material orgánico como fuente de alimento y estudiaron la estructura del rastrillo branquial. Llegaron a la conclusión de que no se benefició del material orgánico en el agua porque las branquiespinas eran cortas con procesos contundentes y un espacio corto entre ellos. Incluso las bacterias podrían entrar y salir fácilmente por las branquias. Su estructura por sí sola indicó que el Amia no use microorganismos como fuente de alimento. [ cita necesaria ]

Los depósitos fósiles indican que los amiformes incluían especies marinas y de agua dulce que alguna vez estuvieron ampliamente distribuidas en América del Norte, América del Sur, Eurasia y África. [52] Hoy, bowfin (Amia calva) son las únicas especies que quedan en el orden Amiformes, son piscívoros demersales de agua dulce, y su área de distribución está restringida a ambientes de agua dulce en América del Norte, incluida gran parte del este de los Estados Unidos y el sur de Canadá adyacente desde el río San Lorenzo y el drenaje del lago Champlain de el sur de Ontario y Quebec hacia el oeste alrededor de los Grandes Lagos en el sur de Ontario hasta Minnesota. [53] [54] Históricamente, su distribución en América del Norte incluía las cuencas de drenaje del río Mississippi desde Quebec hasta el norte de Minnesota, los Grandes Lagos de San Lorenzo, incluida la Bahía de Georgia, el lago Nipissing y Simcoe, Ontario, al sur del Golfo. de la llanura costera del Atlántico y el Golfo de México desde el drenaje del río Susquehanna en el sureste de Pensilvania hasta el río Colorado en Texas. [4] [53] [55]

Calcetín Editar

Las investigaciones realizadas desde finales del siglo XIX hasta los años ochenta sugieren una tendencia a las medias intencionales de peces no autóctonos en estanques, lagos y ríos en los Estados Unidos. En ese momento, se sabía poco acerca de los impactos ambientales o los efectos a largo plazo del establecimiento y propagación de nuevas especies como resultado de los esfuerzos de "rescate y transferencia de peces", o la importancia de los peces que no son de caza para el equilibrio ecológico de los ecosistemas acuáticos. [56] Las introducciones de aleta de arco en áreas en las que se consideraban especies no autóctonas incluyeron varios lagos, ríos y drenajes en Connecticut, Illinois, Iowa, Kansas, Kentucky, Maryland, Massachusetts, Missouri, Nueva Jersey, Nueva York, Carolina del Norte, Pensilvania, Virginia, Virginia Occidental y Wisconsin. [53] Muchas de las introducciones fueron medias intencionales por parte de diversas administraciones de recursos, sin embargo, no hay forma de determinar positivamente la distribución resultante de las transferencias de inundaciones u otras migraciones inadvertidas. Los aletas de arco son típicamente piscívoros, pero como especies introducidas son capaces de ser depredadores voraces que representan una amenaza para los peces nativos y sus presas. [53] [57]

Hábitat preferido Editar

Bowfin prefiere pantanos con vegetación, ríos y lagos de tierras bajas, pantanos, áreas de remanso y ocasionalmente se encuentran en aguas salobres. Están bien camuflados y no son fáciles de detectar en aguas lentas con abundante vegetación. A menudo buscan refugio bajo raíces y troncos sumergidos. [50] [58] [59] Se pueden tolerar ambientes pobres en oxígeno debido a su capacidad para respirar aire. [50]

Los aletas de arco desovan en la primavera o principios del verano, típicamente entre abril y junio, más comúnmente por la noche [32] [50] en agua clara y poco profunda con abundante vegetación en lechos de malezas sobre bancos de arena y también debajo de tocones, troncos y arbustos. [60] Las temperaturas óptimas para la anidación y el desove oscilan entre 16 y 19 ° C (61 y 66 ° F). [9] Los machos construyen nidos circulares en esteras de raíces fibrosas, quitando hojas y tallos. Dependiendo de la densidad de la vegetación circundante, puede haber una entrada en forma de túnel en un lado. [60] El diámetro de los nidos suele oscilar entre 39 y 91 cm (15 a 36 pulgadas), [9] a una profundidad de agua de 61 a 92 cm (24 a 36 pulgadas). [32]

During spawning season, the fins and underside of male bowfin often change in color to a bright lime green. [61] The courtship/spawning sequence lasts one to three hours, and can repeat up to five times. [32] Courtship begins when a female approaches the nest. The ritual consists of intermittent nose bites, nudges, and chasing behavior by the male until the female becomes receptive, [9] at which time the pair lie side by side in the nest. She deposits her eggs while he shakes his fins in a vibratory movement, and releases his milt for fertilization to occur. [9] A male often has eggs from more than one female in his nest, and a single female often spawns in several nests. [12] [62]

Females vacate the nest after spawning, [32] leaving the male behind to protect the eggs during the eight to ten days of incubation. [13] [60] [63] A nest may contain 2,000 to 5,000 eggs, possibly more. [58] Fecundity is usually related to size of the fish, so it isn't unusual for the roe of a large gravid female to contain over 55,000 eggs. [32] [50] Bowfin eggs are adhesive, and will attach to aquatic vegetation, roots, gravel, and sand. [32] After hatching, larval bowfin do not swim actively in search of food. During the seven to nine days required for yolk-sac absorption, they attach to vegetation by means of an adhesive organ on their snout, and remain protected by the parent male bowfin. [58] Bowfin aggressively protect their spawn from the first day of incubation to a month or so after the eggs have hatched. [58] When the fry are able to swim and forage on their own, they will form a school and leave the nest accompanied by the parent male bowfin who slowly circles them to prevent separation. [60]

Bowfin reach sexually maturity at two to three years of age. [50] They can live ten to twelve years in the wild, [50] and 30 years in captivity. [13] [60] Females are longer-lived than males. [8]

A common parasite of bowfin is the anchor worm (Lernaea). These small crustaceans infest the skin and bases of fins, with consequences ranging from slowed growth to death. [9] The mollusk Megalonaias gigantea lays eggs in the bowfin gills, that are then externally fertilized by sperm passing in the water flow. The small glochidia larvae then hatch and develop in the gill tubes. [9]

Bowfin with liver cancer and with fatal leukemia have been reported. [7]

As a sport fish, bowfin are not considered desirable to many anglers. They were once considered a nuisance fish by anglers and early biologists who believed the bowfin's predatory nature was harmful to sport fish populations. As a result, efforts were taken to reduce their numbers. [64] Research has since proven otherwise, and that knowledge together with a better understanding of maintaining overall balance of ecosystems, regulations were introduced to help protect and maintain viable populations of bowfin. [64] Bowfin are strong fighters, a prized trait in game fish. However, they do have a jaw full of sharp teeth which requires careful handling. The current tackle record is 21.5 lb (9.8 kg) [5] [55] [65]

Bowfin were once considered to have little commercial value because of its poor-tasting meat which has been referred to as "soft, bland-tasting and of poor texture". [5] [13] However, it is considered quite palatable if cleaned properly and smoked, or prepared fried, blackened, used in courtbouillion, or in fishballs or fishcakes. [5] [55] [66] Over the years, global efforts have imposed strict regulations on the international trade of caviar, particularly on the harvest of sturgeons from the Caspian Sea where the highly prized caviar from the beluga sturgeon originates. The bans imposed on Caspian sturgeons have created lucrative markets for affordable substitutes in the United States including paddlefish, bowfin, and various species of sturgeon. [67] In Louisiana, bowfin are harvested in the wild, and cultured commercially in hatcheries for their meat and roe. The roe is processed into caviar, and sold as "Cajun caviar", or marketed under the trade name "Choupiquet Royale". [8] [32] [68]

In some areas of the United States where aquatic environments have tested positive for elevated levels of toxins, such as mercury, arsenic, chromium, and copper, there are posted signs with warnings about the consumption of fish caught in those areas. [69] Concentration of mercury biomagnifies as it passes up the food chain from organisms on lower trophic levels to apex predators. It bioaccumulates in the tissues of larger, long-lived predatory fish. When compared to smaller, short-lived fish, bowfin tend to concentrate mercury at higher levels thereby making them less safe for human consumption. [8] [70]


Surprising new research: We're more like primitive fishes than once believed

People traditionally think that lungs and limbs are key innovations that came with the vertebrate transition from water to land. But in fact, the genetic basis of air-breathing and limb movement was already established in our fish ancestor 50 million years earlier. This, according to a recent genome mapping of primitive fish conducted by the University of Copenhagen, among others. The new study changes our understanding of a key milestone in our own evolutionary history.

There is nothing new about humans and all other vertebrates having evolved from fish. The conventional understanding has been that certain fish shimmied landwards roughly 370 million years ago as primitive, lizard-like animals known as tetrapods. According to this understanding, our fish ancestors came out from water to land by converting their fins to limbs and breathing under water to air-breathing.

However, limbs and lungs are not innovations that appeared as recent as once believed. Our common fish ancestor that lived 50 million years before the tetrapod first came ashore already carried the genetic codes for limb-like forms and air breathing needed for landing. These genetic codes are still present in humans and a group of primitive fishes.

This has been demonstrated by recent genomic research conducted by University of Copenhagen and their partners. The new research reports that the evolution of these ancestral genetic codes might have contributed to the vertebrate water-to-land transition, which changes the traditional view of the sequence and timeline of this big evolutionary jump. The study has been published in the scientific journal Celda.

"The water-to-land transition is a major milestone in our evolutionary history. The key to understanding how this transition happened is to reveal when and how the lungs and limbs evolved. We are now able to demonstrate that the genetic basis underlying these biological functions occurred much earlier before the first animals came ashore," stated by professor and lead author Guojie Zhang, from Villum Centre for Biodiversity Genomics, at the University of Copenhagen's Department of Biology.

A group of ancient living fishes might hold the key to explain how the tetrapod ultimately could grow limbs and breathe on air. The group of fishes includes the bichir that lives in shallow freshwater habitats in Africa. These fishes differ from most other extant bony fishes by carrying traits that our early fish ancestors might have had over 420 million years ago. And the same traits are also present in for example humans. Through a genomic sequencing the researchers found that the genes needed for the development of lungs and limbs have already appeared in these primitive species.

Our synovial joint evolved from fish ancestor

Using pectoral fins with a locomotor function like limbs, the bichir can move about on land in a similar way to the tetrapod. Researchers have for some years believed that pectoral fins in bichir represent the fins that our early fish ancestors had.

The new genome mapping shows that the joint which connects the socalled metapterygium bone with the radial bones in the pectoral fin in the bichir is homologous to synovial joints in humans - the joints that connect upper arm and forearm bones. The DNA sequence that controls the formation of our synovial joints already existed in the common ancestors of bonefish and is still present in these primitive fishes and in terrestrial vertebrates. At some point, this DNA sequence and the synovial joint was lost in all of the common bony fishes - the socalled teleosts.

"This genetic code and the joint allows our bones move freely, which explains why the bichir can move around on land," says Guojie Zhang.

First lungs, then swim bladder

Moreover, the bichir and a few other primitive fishes have a pair of lungs that anatomically resembles ours. The new study reveals that the lungs in both bichir and alligator gar also function in a similar manner and express same set of genes as human lungs.

At the same time, the study demonstrates that the tissue of the lung and swim bladder of most extant fishes are very similar in gene expression, confirming they are homologous organs as predicted by Darwin. But while Darwin suggested that swim bladders converted to lungs, the study suggests it is more likely that swim bladders evolved from lungs. The research suggests that our early bony fish ancestors had primitive functional lungs. Through evolution, one branch of fish preserved the lung functions that are more adapted to air breathing and ultimately led to the evolution of tetrapods. The other branch of fishes modified the lung structure and evolved with swim bladders, leading the evolution of teleosts. The swim bladders allow these fishes to maintain buoyancy and perceive pressure, thus better survive under water.

"The study enlightens us with regards to where our body organs came from and how their functions are decoded in the genome. Thus, some of the functions related to lung and limbs did not evolve at the time when the water-to-land transition occurred, but are encoded by some ancient gene regulatory mechanisms that were already present in our fish ancestor far before landing. It is interesting that these genetic codes are still present in these 'living-fossil'' fishes, which offer us the opportunity to trace back the root of these genes," concludes Guojie Zhang.

FACT BOX 1: Not just limbs and lungs, but also the heart

Primitive fish and humans also share a common and critical function in the cardio-respiratory system: The conus arteriosus, a structure in the right ventricle of our heart which might allow the heart to efficiently deliver the oxygen to the whole body, and which is also found in the bichir. However, the vast majority of bony fish have lost this structure. The researchers discovered a genetic element that appears to control the development of the conus arteriosus. Transgenic experiments with mice showed that when researchers removed this genetic element, the mutated mice died due to thinner, smaller right ventricles, which lead to congenital heart defects and compromised heart function.

    The vast majority of extant fish species belong to the ray-finned fishes, a subclass of bony fish. These are typically fish with gills, fins and a swim bladder.

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Biology 9.2 Review Questions

The Ordovician Period: During the next period, the Ordovician Period (505-440 million years ago), the oceans became filled with invertebrates of many types. Also during this period, the first fish evolved and plants colonized the land for the first time. But animals still remained in the water.

The Silurian Period: During the Silurian Period (440-410 million years ago), corals appeared in the oceans, and fish continued to evolve. On land, vascular plants appeared. With special tissues to circulate water and other materials, these plants could grow larger than the earlier nonvascular plants.

The Devonian Period: During the Devonian Period (410-360 million years ago), the first seed plants evolved. Seeds have a protective coat and stored food to help them survive. Seed plants eventually became the most common type of land plants. In the oceans, fish with lobe fins evolved. They could breathe air when they raised their heads above water. Breathing would be necessary for animals to eventually colonize
the land.


Life During the Paleozoic

los Paleozoic Era is literally the era of &ldquoold life.&rdquo It lasted from 544 to 245 million years ago and is divided into six periods. Major events in each period of the Paleozoic Era are described in Figura debajo. The era began with a spectacular burst of new life. Esto se llama Cambrian explosion. The era ended with the biggest mass extinction the world had ever seen. Esto se conoce como el Permian extinction. At the following link, you can watch a video about these and other events of the Paleozoic Era: http://www.youtube.com/watch?v=Bf2rrRmconU.

The Paleozoic Era includes the six periods described here.

The Paleozoic Era

The Cambrian Period: Following the Precambrian mass extinction, there was an explosion of new kinds of organisms in the Cambrian Period (544&ndash505 million years ago). Many types of primitive animals called sponges evolved. Small ocean invertebrates called trilobites became abundant.

Two representatives of more than fifty modern animal phyla from the Cambrian explosion are reef-building sponges (left) and early arthropods known as trilobites (right). Both were abundant during the Cambrian and later became extinct however, the phyla they represent persist to this day.

The Ordovician Period: During the next period, the Ordovician Period (505&ndash440 million years ago), the oceans became filled with invertebrates of many types. Also during this period, the first fish evolved and plants colonized the land for the first time. But animals still remained in the water.

The Silurian Period: During the Silurian Period (440&ndash410 million years ago), corals appeared in the oceans, and fish continued to evolve. On land, vascular plants appeared. With special tissues to circulate water and other materials, these plants could grow larger than the earlier nonvascular plants.

Cooksonia, a branching vascular plant with sporangia at the tips of each branch. Cooksonia fossils measure just centimeters in height and date from the Silurian period.

The Devonian Period: During the Devonian Period (410&ndash360 million years ago), the first seed plants evolved. Seeds have a protective coat and stored food to help these plants survive. Seed plants eventually became the most common type of land plants. In the oceans, fish with lobe fins evolved. They could breathe air when they raised their heads above water. Breathing would be necessary for animals to eventually colonize the land.

On land, club mosses, horsetails, and ferns joined primitive seed plants and early trees to form the first forests.

The Carboniferous Period: Next, during the Carboniferous Period (360&ndash290 million years ago), widespread forests of huge plants left massive deposits of carbon that eventually turned to coal. The first amphibians evolved to move out of the water and colonize land, but they had to return to the water to reproduce. Soon after amphibians arose, the first reptiles evolved. They were the first animals that could reproduce on dry land.

The Permian Period: During the Permian Period (290&ndash245 million years ago), all the major land masses collided to form a supercontinent called Pangaea. Temperatures were extreme, and the climate was dry. Plants and animals evolved adaptations to dryness, such as waxy leaves or leathery skin to prevent water loss. The Permian Period ended with a mass extinction.

The supercontinent Pangaea encompassed all of today&rsquos continents in a single land mass. This configuration limited shallow coastal areas which harbor marine species, and may have contributed to the dramatic event which ended the Permian - the most massive extinction ever recorded.

In the mass extinction that ended the Permian, the majority of species went extinct. Many hypotheses have been offered to explain why this mass extinction occurred. These include huge meteorites striking Earth and enormous volcanoes spewing ashes and gases into the atmosphere. Both could have darkened the skies with dust for many months. This, in turn, would have shut down photosynthesis and cooled the planet.

Despite the great loss of life, there was light at the end of the tunnel. The Permian extinction paved the way for another burst of new life at the start of the following Mesozoic Era. This included the evolution of the dinosaurs.


How did ancient fish make the evolutionary jump from gills to lungs?

Esa es una gran pregunta. Swim bladders and lungs are similar organs, although they are used for different things and found in different groups of fish. They both develop from a location in the upper throat called the pharynx, they both are used to manipulate gases, and they both have a good blood supply. However, the lung is used for breathing, and, besides being found in land vertebrates, is also found in a few groups of fish like lungfish, which likely were the ancestors of land vertebrates.

The swim bladder, on the other hand, is used to control buoyancy, and it is found in all other bony fishes. It is basically an inflatable bag. Fish use the swim bladder to control their buoyancy by filling it with oxygen from their gills using a gland called a gas gland. This increases the volume of the bladder and pushes the fish toward the surface of the water.

Strangely, some fish also use their swim bladders to breathe. These fish live in muddy waters that are low in oxygen, and they have a tube that runs from the swim bladder to the gut, so that when they gulp air from the surface they can push the gas into the swim bladder.

Darwin believed that lungs evolved from gas bladders, but the fact that fish with lungs are the oldest type of bony fish, plus molecular and developmental evidence, points to the reverse – that lungs evolved before swim bladders. Gills were present in the earliest fish, but lungs also evolved pretty early on, potentially from the tissue sac that surrounds the gills. Swim bladders evolved soon after lungs, and are thought to have evolved from lung tissue.


Surprise! We’re More Like Primitive Fishes Than Once Believed

People traditionally think that lungs and limbs are key innovations that came with the vertebrate transition from water to land. But in fact, the genetic basis of air-breathing and limb movement was already established in our fish ancestor 50 million years earlier. This, according to a recent genome mapping of primitive fish conducted by the University of Copenhagen, among others. The new study changes our understanding of a key milestone in our own evolutionary history.

There is nothing new about humans and all other vertebrates having evolved from fish. The conventional understanding has been that certain fish shimmied landwards roughly 370 million years ago as primitive, lizard-like animals known as tetrapods. According to this understanding, our fish ancestors came out from water to land by converting their fins to limbs and breathing under water to air-breathing.

However, limbs and lungs are not innovations that appeared as recent as once believed. Our common fish ancestor that lived 50 million years before the tetrapod first came ashore already carried the genetic codes for limb-like forms and air breathing needed for landing. These genetic codes are still present in humans and a group of primitive fishes.

This has been demonstrated by recent genomic research conducted by University of Copenhagen and their partners. The new research reports that the evolution of these ancestral genetic codes might have contributed to the vertebrate water-to-land transition, which changes the traditional view of the sequence and timeline of this big evolutionary jump. The study has been published in the scientific journal Celda.

“The water-to-land transition is a major milestone in our evolutionary history. The key to understanding how this transition happened is to reveal when and how the lungs and limbs evolved. We are now able to demonstrate that the genetic basis underlying these biological functions occurred much earlier before the first animals came ashore,” stated by professor and lead author Guojie Zhang, from Villum Centre for Biodiversity Genomics, at the University of Copenhagen’s Department of Biology.

A group of ancient living fishes might hold the key to explain how the tetrapod ultimately could grow limbs and breathe on air. The group of fishes includes the bichir that lives in shallow freshwater habitats in Africa. These fishes differ from most other extant bony fishes by carrying traits that our early fish ancestors might have had over 420 million years ago. And the same traits are also present in for example humans. Through a genomic sequencing the researchers found that the genes needed for the development of lungs and limbs have already appeared in these primitive species.

Our synovial joint evolved from fish ancestor

Using pectoral fins with a locomotor function like limbs, the bichir can move about on land in a similar way to the tetrapod. Researchers have for some years believed that pectoral fins in bichir represent the fins that our early fish ancestors had.

The new genome mapping shows that the joint which connects the socalled metapterygium bone with the radial bones in the pectoral fin in the bichir is homologous to synovial joints in humans — the joints that connect upper arm and forearm bones. The DNA sequence that controls the formation of our synovial joints already existed in the common ancestors of bonefish and is still present in these primitive fishes and in terrestrial vertebrates. At some point, this DNA sequence and the synovial joint was lost in all of the common bony fishes — the socalled teleosts.

“This genetic code and the joint allows our bones move freely, which explains why the bichir can move around on land,” says Guojie Zhang.

First lungs, then swim bladder

Moreover, the bichir and a few other primitive fishes have a pair of lungs that anatomically resembles ours. The new study reveals that the lungs in both bichir and alligator gar also function in a similar manner and express same set of genes as human lungs.

At the same time, the study demonstrates that the tissue of the lung and swim bladder of most extant fishes are very similar in gene expression, confirming they are homologous organs as predicted by Darwin. But while Darwin suggested that swim bladders converted to lungs, the study suggests it is more likely that swim bladders evolved from lungs. The research suggests that our early bony fish ancestors had primitive functional lungs. Through evolution, one branch of fish preserved the lung functions that are more adapted to air breathing and ultimately led to the evolution of tetrapods. The other branch of fishes modified the lung structure and evolved with swim bladders, leading the evolution of teleosts. The swim bladders allow these fishes to maintain buoyancy and perceive pressure, thus better survive under water.

“The study enlightens us with regards to where our body organs came from and how their functions are decoded in the genome. Thus, some of the functions related to lung and limbs did not evolve at the time when the water-to-land transition occurred, but are encoded by some ancient gene regulatory mechanisms that were already present in our fish ancestor far before landing. It is interesting that these genetic codes are still present in these ‘living-fossil” fishes, which offer us the opportunity to trace back the root of these genes,” concludes Guojie Zhang.

FACT BOX 1: Not just limbs and lungs, but also the heart

Primitive fish and humans also share a common and critical function in the cardio-respiratory system: The conus arteriosus, a structure in the right ventricle of our heart which might allow the heart to efficiently deliver the oxygen to the whole body, and which is also found in the bichir. However, the vast majority of bony fish have lost this structure. The researchers discovered a genetic element that appears to control the development of the conus arteriosus. Transgenic experiments with mice showed that when researchers removed this genetic element, the mutated mice died due to thinner, smaller right ventricles, which lead to congenital heart defects and compromised heart function.


These Fins are Made for Walking

“After a big rainstorm, it’s not terribly unusual to actually see this catfish wiggle across the road," says George Burgess, an ichthyologist at the Florida Museum of Natural History.

The fish flexes its body back and forth to move, and its spiny pectoral fin provides additional leverage.

Eels climb over dams and other obstacles while traveling upstream, breathing oxygen through their skin.

Killifish “flip-flop their way from place to place” on land, and though these movements look random, “they know what they’re doing,” Burgess says. (See "Walking Began Underwater, Strolling-Fish Discovery Suggests.")

A type of killifish called a mummichog navigates visually, jumping up and orienting its body toward the water, according to a recent study.

But West African lungfish blow these other fish out of the water: They have gills y a primitive lung. During dry periods, the animals wrap themselves in a mucus cocoon, burrow into the mud, and lie dormant—sometimes for years.

When rains return and the fish pops back out of the earth, it looks a lot like a "mud pistachio," Burgess says.


Fish had the genes to adapt to life on land—while they were still swimming the seas

Almost 700 years ago, Jacob van Maerlant, a Dutch poet, envisioned a fish all set for life on land: It had sprouted arms to hoist itself ashore. Now, three genetic studies make his fantasy look remarkably prescient. Together, the studies suggest that in terms of genes, the aquatic precursors of four-limbed land animals, or tetrapods, were as well-prepared as the Dutch fantasy fish. They were pre-equipped with genes that could be turned to making limbs, efficient air-breathing lungs, and nervous systems tuned to the challenges of life on land.

“All these studies tell us that the origin of tetrapods was something waiting to happen,” says Borja Esteve-Altava, an evolutionary biologist at Pompeu Fabra University in Barcelona, Spain. Genetically, “Everything necessary was already there” before vertebrates came ashore, nearly 400 million years ago.

Fossils reveal the outlines of the story. Fish with fleshy fins supported at their base by a single bone, known as lobe-finned fish, moved into shallow water about 375 million years ago. About 5 million years later, some of those lobe fins crawled onto terra firma. The first fish to set fin on land must have already had at least some of the physical traits and genetic modifications needed to do so, but researchers hadn’t worked out how and when they became equipped for the change. “The big question of how such a large morphological shift actually occurred remains very much in play,” says Peter Currie, an evolutionary developmental biologist at Monash University.

In the trio of studies published last week in Celda, genes in living fish took the place of fossils as a way to peer back in time. One set of clues came from studies of mutagenized zebrafish, a favorite model for studying development. M. Brent Hawkins, then a Harvard University graduate student and now a postdoc, was shocked to discover zebrafish mutants with two bones resembling the forelimb bones of land animals in their front fins, complete with muscles, joints, and blood vessels. The finding is “quite spectacular,” says Marie-Andrée Akimenko, a developmental biologist at the University of Ottawa.

Two mutated genes, vav2 y waslb, were responsible for the transformation. Both genes code for proteins that are part of a pathway controlling the activity of Hox11 proteins, regulatory molecules that guide the formation of the two forearm bones in mammals, among other functions. In fish, other proteins normally suppress Hox11 and prevent the formation of those bones. But the mutations, which Hawkins re-created using the gene editor CRISPR, reactivate the pathway. The “landmark” finding is “changing the paradigm on limb development and evolution,” says Renata Freitas, a developmental biologist at the University of Porto in Portugal.

Other genetic clues come from living representatives of ancient fish lineages. Only two groups of the lobe-finned fish are alive today: lungfish and coelacanths. About 400 million years ago, they diverged from the line of lobe-finned fish that gave rise to tetrapods 30 million years later. Today’s oceans are mostly populated with species from another group that originated about 420 million years ago: the ray-finned fish, so named because their fins are supported by slender spines.

Evolutionary geneticists Guojie Zhang at the University of Copenhagen and Wen Wang of Northwestern Polytechnical University in Xi’an, China, and their colleagues sequenced the genomes of the African lungfish, which branched off early from other lobe-finned fish. The researchers also sequenced the bichir, an elongated, air-breathing, ray-finned fish that lives in the shallows of tropical African rivers, as well as the American paddlefish, the bowfin, and the alligator gar. All are ray-finned fishes that evolved much earlier than teleosts, the group that dominates the world’s waters today (see diagram, below). Knowing when each of those lineages branched away from others, the researchers could infer when and where certain genes first appeared on the fish family tree.


Ver el vídeo: Cómo respiran los peces? (Agosto 2022).