02/02/2023 - 8:26
A tomografia computadorizada do crânio de um peixe fossilizado de 319 milhões de anos, retirado de uma mina de carvão na Inglaterra há mais de um século, revelou o exemplo mais antigo de um cérebro de vertebrado bem preservado.
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O cérebro e seus nervos cranianos têm cerca de 2,5 centímetros de comprimento e pertencem a um peixe extinto do tamanho de um bluegill (Lepomis macrochirus). A descoberta abre uma janela para a anatomia neural e a evolução inicial do principal grupo de peixes vivos hoje, os peixes com nadadeiras raiadas, de acordo com a equipe internacional de autores de um estudo liderado pela Universidade de Michigan (EUA) e publicado na revista Nature.
Mineral denso
A descoberta também fornece informações sobre a preservação de partes moles em fósseis de animais com coluna vertebral. A maioria dos fósseis de animais em coleções de museus foi formada a partir de partes duras do corpo, como ossos, dentes e conchas.
O cérebro analisado para o novo estudo pertence ao Coccocephalus wildi, um peixe primitivo com nadadeiras raiadas que nadava em um estuário e provavelmente se alimentava de pequenos crustáceos, insetos aquáticos e cefalópodes, um grupo que hoje inclui lulas, polvos e chocos. Os peixes com nadadeiras raiadas têm espinha dorsal e barbatanas sustentadas por hastes ósseas chamadas raios.
Quando o peixe morreu, os tecidos moles de seu cérebro e nervos cranianos foram substituídos durante o processo de fossilização por um mineral denso que preservou, com detalhes requintados, sua estrutura tridimensional.
Animação mostrando imagens de tomografia computadorizada do crânio fossilizado de Coccocephalus wildi (amarelo claro), seguido pelo cérebro de peixe fossilizado e nervos cranianos (rosa) e pedras otolíticas (brancas) dentro do crânio. Crédito: Museu de Paleontologia da Universidade de Michigan
Conceitos retrabalhados
“Uma conclusão importante é que esses tipos de partes moles podem ser preservados e podem ser preservados em fósseis que temos há muito tempo – este é um fóssil conhecido há mais de 100 anos”, disse Matt Friedman, paleontólogo da Universidade de Michigan, autor sênior do novo estudo e diretor do Museu de Paleontologia.
O autor principal é o doutorando da Universidade de Michigan Rodrigo Figueroa, que fez o trabalho como parte de sua dissertação, sob a orientação de Friedman, no Departamento de Ciências da Terra e do Meio Ambiente da universidade.
“Este fóssil superficialmente inexpressivo e pequeno não apenas nos mostra o exemplo mais antigo de um cérebro vertebrado fossilizado, mas também mostra que muito do que pensávamos sobre a evolução do cérebro apenas de espécies vivas precisará ser retrabalhado”, disse Figueroa.
“Com a ampla disponibilidade de técnicas de imagem modernas, não ficaria surpreso se descobrirmos que os cérebros fósseis e outras partes moles são muito mais comuns do que pensávamos anteriormente. De agora em diante, nosso grupo de pesquisa e outros examinarão as cabeças de peixes fósseis com uma perspectiva nova e diferente.”
O fóssil de crânio da Inglaterra é o único espécime conhecido de sua espécie, então apenas técnicas não destrutivas poderiam ser usadas durante o estudo conduzido pela Universidade de Michigan.
Esforço mais amplo
O trabalho no Coccocephalus faz parte de um esforço mais amplo de Friedman, Figueroa e colegas que usam a tomografia computadorizada (TC) para examinar o interior dos crânios dos primeiros peixes com nadadeiras raiadas. O objetivo do estudo maior é obter detalhes anatômicos internos que forneçam informações sobre as relações evolutivas.
No caso do C. wildi, Friedman não estava procurando por um cérebro quando ligou seu scanner micro-TC e examinou o fóssil do crânio.
“Eu digitalizei, depois carreguei os dados no software que usamos para visualizar essas varreduras e notei que havia um objeto distinto e incomum dentro do crânio”, disse ele.
A bolha não identificada era mais brilhante na imagem da TC – e, portanto, provavelmente mais densa – do que os ossos do crânio ou a rocha ao redor.
“É comum ver crescimentos minerais amorfos em fósseis, mas esse objeto tinha uma estrutura claramente definida”, disse Friedman.
O objeto misterioso exibia várias características encontradas em cérebros de vertebrados: era bilateralmente simétrico, continha espaços ocos semelhantes em aparência aos ventrículos e tinha múltiplos filamentos que se estendiam em direção a aberturas na caixa craniana, semelhantes em aparência aos nervos cranianos, que viajam por esses canais em espécies vivas.
Raridade
“Ele tinha todas essas características, e eu disse a mim mesmo: ‘É realmente um cérebro que estou vendo?’”, disse Friedman. “Então, ampliei aquela região do crânio para fazer uma segunda varredura de alta resolução, e ficou muito claro que era exatamente o que tinha de ser. E foi apenas porque esse era um exemplo inequívoco que decidimos levá-lo mais longe.”
Embora o tecido cerebral preservado raramente tenha sido encontrado em fósseis de vertebrados, os cientistas tiveram mais sucesso com os invertebrados. Por exemplo, o cérebro intacto de um caranguejo-ferradura de 310 milhões de anos foi relatado em 2021, e varreduras de insetos envoltos em âmbar revelaram cérebros e outros órgãos. Existem até evidências de cérebros e outras partes do sistema nervoso registradas em espécimes achatados com mais de 500 milhões de anos.
O cérebro preservado de um parente de tubarão de 300 milhões de anos foi relatado em 2009. Mas tubarões e arraias são peixes cartilaginosos, que hoje possuem relativamente poucas espécies em comparação com a linhagem de peixes com nadadeiras raiadas contendo Coccocephalus. Os primeiros peixes com nadadeiras raiadas, como o Coccocephalus, podem contar aos cientistas sobre as fases evolutivas iniciais do grupo de peixes mais diversificado de hoje, que inclui tudo, desde trutas a atuns, de cavalos-marinhos a linguados.
Existem cerca de 30 mil espécies de peixes com nadadeiras raiadas, que representam cerca de metade de todas as espécies de animais com espinha dorsal. A outra metade é dividida entre vertebrados terrestres – aves, mamíferos, répteis e anfíbios – e grupos de peixes menos diversos, como peixes sem mandíbula e peixes cartilaginosos.
Peixe carnívoro
O fóssil do crânio do Coccocephalus foi emprestado a Friedman pelo Museu de Manchester, na Inglaterra. Foi recuperado do telhado da mina de carvão Mountain Fourfoot no condado de Lancashire e foi descrito cientificamente pela primeira vez em 1925. O fóssil foi encontrado em uma camada de pedra-sabão adjacente a um veio de carvão na mina.
Embora apenas seu crânio tenha sido recuperado, os cientistas acreditam que o C. wildi teria de 15 a 20 centímetros de comprimento. A julgar pelo formato da mandíbula e pelos dentes, provavelmente era um carnívoro, segundo Figueroa.
Quando o peixe morreu, os cientistas suspeitam que ele foi rapidamente enterrado em sedimentos com pouco oxigênio presente. Esses ambientes podem retardar a decomposição de partes moles do corpo.
Além disso, um microambiente químico dentro da caixa craniana pode ter ajudado a preservar os delicados tecidos cerebrais e substituí-los por um mineral denso, possivelmente pirita, disse Figueroa.
Microambiente
As evidências que sustentam essa ideia vêm dos nervos cranianos, que enviam sinais elétricos entre o cérebro e os órgãos sensoriais. No fóssil do Coccocephalus, os nervos cranianos estão intactos dentro da caixa craniana, mas desaparecem quando saem do crânio.
“Parece haver, dentro desse vazio bem fechado no crânio, um pequeno microambiente que é propício para a substituição dessas partes moles por algum tipo de fase mineral, capturando a forma dos tecidos que, de outra forma, simplesmente se decomporiam”, disse Friedman.
A análise detalhada do fóssil, juntamente com comparações com os cérebros de espécimes de peixes modernos da coleção do Museu de Zoologia da Universidade de Michigan, revelou que o cérebro do Coccocephalus tem um corpo central do tamanho de uma passa com três regiões principais que correspondem aproximadamente ao prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo em peixes vivos.
Padrão mais complicado
Os nervos cranianos projetam-se de ambos os lados do corpo central. Visto como uma única unidade, o corpo central e os nervos cranianos se assemelham a um minúsculo crustáceo, como uma lagosta ou um caranguejo, com braços, pernas e garras salientes.
Notavelmente, a estrutura do cérebro do Coccocephalus indica um padrão mais complicado de evolução do cérebro de peixe do que é sugerido pelas espécies vivas sozinhas, de acordo com os autores. “Essas características dão ao fóssil um valor real na compreensão dos padrões de evolução do cérebro, em vez de ser simplesmente uma curiosidade de preservação inesperada”, disse Figueroa.
Por exemplo, todos os peixes vivos com nadadeiras raiadas têm um cérebro revirado, o que significa que os cérebros dos peixes embrionários se desenvolvem dobrando os tecidos de dentro do embrião para fora, como uma meia virada do avesso.
Todos os outros vertebrados têm cérebros evaginados, o que significa que o tecido neural em cérebros em desenvolvimento se dobra para dentro.
Semelhanças com peixes ‘primitivos’
“Ao contrário de todos os peixes vivos com nadadeiras raiadas, o cérebro do Coccocephalus se dobra para dentro”, disse Friedman. “Portanto, esse fóssil está capturando um tempo antes da evolução da característica específica dos cérebros de peixes com nadadeiras raiadas. Isso nos fornece alguns limites sobre quando essa característica evoluiu – algo sobre o que não tínhamos um bom controle antes dos novos dados sobre o Coccocephalus.”
Comparações com peixes vivos mostraram que o cérebro do Coccocephalus é mais semelhante aos cérebros de esturjões e peixes-espátula, que são frequentemente chamados de peixes “primitivos” porque divergiram de todos os outros peixes vivos com nadadeiras raiadas há mais de 300 milhões de anos.
Friedman e Figueroa continuam a tomografia computadorizada dos crânios de fósseis de peixes com nadadeiras raiadas, incluindo vários espécimes que Figueroa trouxe para Ann Arbor por empréstimo de instituições de seu país natal, o Brasil. Figueroa disse que sua dissertação de doutorado foi adiada pela pandemia do covid-19, mas deve ser concluída no verão de 2024.
Segundo Friedman e Figueroa, a descoberta destaca a importância de preservar espécimes em museus de paleontologia e zoologia. “Aqui encontramos preservação notável em um fóssil examinado várias vezes antes por várias pessoas ao longo do século passado”, disse Friedman. “Mas como temos essas novas ferramentas para olhar dentro dos fósseis, elas nos revelam outra camada de informação. É por isso que manter os espécimes físicos é tão importante. Porque quem sabe, em 100 anos, o que as pessoas poderão fazer com os fósseis em nossas coleções agora.”
