¿Por qué los mamíferos no tienen más de 4 extremidades?

Número de patas en vertebrados terrestres

No solo los mamíferos tienen cuatro patas, sino que en realidad todos los vertebrados terrestres (que incluyen a los mamíferos) tienen cuatro patas. Sin embargo, hay ligeras excepciones, ya que algunos linajes han perdido sus piernas. Por lo general, las serpientes ya no tienen patas. Apesteguia y Zaher (2006) discuten la evolución de la reducción de las patas de las serpientes y reportan un fósil de serpientes con un sacro robusto. Los cetáceos (ballenas y amigos) han perdido las patas traseras pero todavía podemos verlos en el esqueleto. Vea, por ejemplo, la orca (ballena asesina, fácilmente reconocible por sus dientes) en la imagen a continuación. Preste atención a los huesos pequeños debajo de su columna vertebral en el nivel del lado izquierdo de la imagen.

También quiero llamar la atención sobre la importancia de la definición de piernas. Supongo que llamaríamos a algo un par de piernas si se construye utilizando un camino de desarrollo similar al de las piernas existentes actualmente. Si estamos usando una definición más amplia, entonces una cola prensil como la que se encuentra en algunos monos del nuevo mundo, por ejemplo, podría considerarse como una pata (pero solo una pata, obviamente no un par de patas). Puede encontrar una lista de animales que tienen una cola prensil aquí (Wikipedia) .

¿Dijiste Selección Natural?

Creo (podría estar equivocado) que tienes una visión demasiado seleccionista de la evolución. Lo que quiero decir es que te estás preguntando por qué los mamíferos tienen cuatro patas y estás buscando una explicación del tipo "porque los mamíferos tienen este tipo de necesidad de locomoción y para este propósito cuatro es el número óptimo de patas". Considere la siguiente oración: "¡Si hay una necesidad, la selección natural encontrará la manera!". ¡Esta frase está mal! La evolución no es tan fácil. Esta visión falsa de la evolución a veces se denomina panseleccionista.

La realidad es que no es fácil evolucionar por un camino de desarrollo tan drástico como tener un par de piernas extra que estén bien integradas en el cuerpo del portador de este nuevo rasgo. Tal individuo necesitaría un cerebro, un código nervioso, un corazón y algunas otras características que estén adaptadas para tener piernas adicionales. Además, suponiendo que tal cosa llegara a existir, es bastante complicado imaginar cómo podría seleccionarse. Para ir un poco más allá, debe darse cuenta de que hay muchos procesos estocásticos en la evolución (incluidas la mutación y la variación aleatoria en el éxito reproductivo) y un organismo es una pieza de maquinaria compleja y no necesariamente se puede transformar fácilmente en alguna otra forma que sería más eficientes (tienen mayor éxito reproductivo). A menudo, pasar de una forma a otra puede implicar un "cruce del valle". lo que significa que si se necesitan varias mutaciones, las formas intermedias pueden tener un bajo éxito reproductivo y, por lo tanto, una gran cantidad de deriva genética (estocasticidad en el éxito reproductivo) para cruzar ese valle de bajo éxito reproductivo. VerTeoría del equilibrio cambiante . Finalmente, incluso si hay selección para otro rasgo, puede tomar tiempo para que el rasgo promedio en la población cambie, especialmente si hay poca variación genética. Una discusión completa sobre por qué la oración "¡Si hay una necesidad, la selección natural encontrará la manera!" está mal llenaría un libro entero.

Gould (1979) es un artículo clásico sobre el tema y es muy fácil de leer incluso para un profano.

¿Por qué 4 patas?

Los vertebrados terrestres tienen cuatro patas porque evolucionaron de un ancestro pez que tenía cuatro miembros que no estaban muy lejos de las patas reales (miembros que podrían "fácilmente" evolucionar a piernas). Esto es lo que llamamos una señal filogenética . La explicación es tan simple y básica como eso. Puedes echar un vistazo a la diversidad de vertebrados terrestres aquí (haz clic en las ramas).

Número de patas en invertebrados.

Los artrópodos (arañas (y otros quelíceros), insectos (y otros hexápodos), crustáceos (cangrejos, gambas…) y miriápodos (milpiés) y también trilobites) evolucionaron a partir de un ancestro común que tenía un cuerpo muy segmentado. A partir de este antepasado, muchos grupos han fusionado algunos segmentos. En estos taxones, cada par de patas está unida a un segmento en particular (no creo que los segmentos todavía sean visibles en las arañas de hoy). En los insectos, por ejemplo, las 6 patas están unidas al tórax pero a 3 segmentos diferentes del tórax, el promeso y el metatórax (ver más abajo).

Como nota al margen, es interesante saber que las alas de los insectos no evolucionaron a partir de las patas (como es el caso de las aves y los murciélagos). Hay dos hipótesis en competencia sobre el origen de las alas de los insectos. Las alas se desarrollaron a partir de branquias o de esclerito (placa de quitina, la parte dura del insecto). Cuando los insectos adquirieron sus primeras alas, en realidad desarrollaron tres pares de alas (una en cada segmento del tórax). Entonces se ha perdido al menos un par en todas las especies modernas. En los dípteros, se ha perdido un segundo par de alas y se reemplazan por halterios, particularmente fáciles de detectar en las moscas grulla (ver la imagen a continuación). En los milpiés, el vínculo entre la segmentación y las patas es aún más evidente (ver imagen a continuación). Puedes echar un vistazo a la diversidad de Arthropoda aquí (haz clic en las ramas).

Fotos

Actualización 1

Preguntar qué tan probable es que una población determinada desarrolle un rasgo determinado es extremadamente difícil de responder. Hay dos problemas principales: 1) una definición del problema de la pregunta y 2) un problema de conocimiento. Cuando se pregunta por una probabilidad, siempre se necesita establecer el conocimiento a priori. Si todo se sabe a priori, entonces no hay nada estocástico (fuera de la física cuántica). Entonces, para responder a la pregunta, uno tiene que decidir qué damos por sentado y qué no. El segundo problema es un problema de conocimiento. Estamos lejos de tener suficiente conocimiento en biofísica de proteínas (y muchos otros campos) para responder a esa pregunta. Hay tantos parámetros a tener en cuenta. Esperaría que la creación de un tercer par de piernas necesitara cambios importantes y, por lo tanto, una mutación nunca será suficiente para desarrollar un tercer par de piernas. Pero,

Siguiendo el ejemplo de las alas en los insectos. Los insectos han tenido tres pares de alas. Si bien algunas mutaciones impidieron la expresión del tercer par (el primero en realidad), mucha de la información genética de este tercer par permanece en el genotipo de los insectos, ya que todavía la usan para los otros dos pares. Aprovechando eso, Membracidae (treehoppers) desarrolló algunas características utilizando una vía bioquímica similar a la utilizada para desarrollar alas. Esas estructuras se utilizan como protección o mimetismo batesiano .

Actualización 2

Imaginemos que ocurre una serie de mutaciones extremadamente improbables que crean algún roedor con 6 patas. Imaginemos que este roedor de seis patas tiene un corazón más grande para bombear sangre a estas patas adicionales y tiene un cerebro adaptado para usar seis patas y algunos cambios en su cordón nervioso para que pueda controlar su tercer par de patas. ¿Tendrá este roedor un mayor éxito reproductivo que otros individuos de la población? Bueno… imaginemos que con sus seis patas puede correr más rápido o lo que sea y tiene una forma física muy alta. ¿Cómo sería la descendencia de una madre (o padre) de seis patas y un padre (o madre) de cuatro patas? ¿Será capaz de reproducirse? Vea, el problema es que es difícil que ese rasgo llegue a existir porque 1) necesita muchos pasos (mutaciones) y 2) es difícil imaginar cómo podría seleccionarse.

Bueno, supongamos que sí y, en consecuencia, después de 200 generaciones más o menos, toda la población está compuesta solo por individuos de 6 patas. Tal vez la especie se extinguió entonces y nunca se ha encontrado ningún registro fósil. Esto es posible. No es porque algo haya existido que necesariamente encontremos algo en el registro fósil.

Creo que podría interpretar su pregunta como preguntando, no solo por qué los mamíferos no tienen más de cuatro extremidades, sino por qué los artrópodos tienen más variedad. Los insectos tienen seis, pero otros tienen ocho, diez o más.

En parte, hay muchas más especies de artrópodos. El 80% de las especies animales son algún tipo de artrópodo, y algunos linajes de artrópodos están lejanamente relacionados entre sí porque los artrópodos como grupo han existido desde el período Cámbrico. Con tantas especies más, no sorprende que hayan logrado agregar una variedad adicional.

Aunque pueda parecer que los insectos y las arañas están más estrechamente relacionados que, digamos, los humanos y los peces, en realidad es al revés. De hecho, los insectos se separaron de otros artrópodos aproximadamente al mismo tiempo que los peces se diversificaban en los tres linajes principales que eventualmente se convertirían en peces cartilaginosos (tiburones y rayas), peces con aletas radiadas ("regulares") y peces con aletas lobuladas. (celacantos y peces pulmonados). Todas estas cosas sucedieron aproximadamente al mismo tiempo, geológicamente hablando, hace unos 400 millones de años. Algunos antiguos peces pulmonados se arrastraron hasta la tierra poco tiempo después, dando lugar a animales terrestres. Entonces, a la luz de esto, no es realmente sorprendente que los artrópodos tengan tanta diversidad en el plan corporal: no te pareces mucho a un dragón marino frondoso (espero).

Pero quizás otra forma de verlo sea en la dificultad que implica adaptar los planos corporales de estos diferentes tipos de animales. Los artrópodos tienen cuerpos segmentados. En algunos artrópodos, especialmente los miriápodos (ciempiés, milpiés, etc.), existe una disposición bastante sencilla de un segmento a un par de patas (excluyendo la cabeza). Los vertebrados también tienen un plan corporal segmentado, pero nuestros segmentos no están tan bien separados. En los vertebrados, un "segmento" es aproximadamente igual a una vértebra. Entonces, dado que los vertebrados no tienen la costumbre de unir un par de patas a cada vértebra, es más difícil que crezcan más patas. En cambio, los vertebrados tienen esqueletos internos, con las caderas y los hombros familiares en los animales terrestres. Los vertebrados tienen buena suerte adaptando la estructura interna cuando lo necesitan. La mayoría usa el diseño tradicional de cuatro patas, pero los humanos, las aves, las ballenas y las serpientes han realizado cambios bastante significativos. Pero internamente, siguen siendo las caderas y los hombros familiares, incluso las serpientes todavía tienen los huesos necesarios. Dados otros cientos de millones de años, podrían desaparecer por completo, pero parece que la estructura ósea básica es difícil de cambiar. Quién sabe, en cien millones de años, los futuros descendientes de las serpientes podrían volver a tener patas y crecer seis u ocho en lugar de cuatro. pero parece que la estructura ósea básica es difícil de cambiar. Quién sabe, en cien millones de años, los futuros descendientes de las serpientes podrían volver a tener patas y crecer seis u ocho en lugar de cuatro. pero parece que la estructura ósea básica es difícil de cambiar. Quién sabe, en cien millones de años, los futuros descendientes de las serpientes podrían volver a tener patas y crecer seis u ocho en lugar de cuatro.

Entonces, en general, diría que las dos razones principales son que el plan corporal de los artrópodos es un poco más flexible debido a su mayor grado de modularidad, y que los diferentes tipos de artrópodos en realidad tienen una relación más lejana de lo que cabría esperar.

La respuesta de Remi.B es excelente, solo intentaré una explicación a través de redes de genes:

En genética, vemos nuevos genes "vinculándose" al genoma más antiguo mediante vías de regulación y "encajándose" solo en el contexto del genoma existente. Esto tiene el efecto de hacer que los genes más antiguos sean indispensables. Cámbialos y rompes toda la malla. Si desea aumentar la cantidad de extremidades, debe abordarlo con los genes HOX, que controlan el plan básico del cuerpo. Estos son terriblemente antiguos y se originaron en el ancestro común de las moscas y los humanos [1]. Entonces, como regla general, estos genes también serán terriblemente difíciles de mutar sin arruinarlo todo.

Otra línea de razonamiento es que los genes HOX no solo aparecieron temprano en la evolución, sino que también se expresan temprano en el desarrollo del embrión. Cuando todo lo que sucede en el desarrollo depende de lo que lo precedió, las mutaciones en los genes HOX tienen más posibilidades de arruinar algo que las mutaciones que solo se expresan tarde en el desarrollo. Voy a salir a una cornisa aquí, pero considere que el color del cabello, la piel y los ojos de un bebé humano a menudo no se expresan por completo hasta meses después de su nacimiento y considere también el rango de variaciones inofensivas en estos colores. Estos colores superficiales no afectan a nada más, por lo que los genes correspondientes son libres de mutar en una gran variedad.

[1] http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n1/box/nrg0101_033a_BX1.html

Aquí hay una respuesta más morfológica, menos genética:

Según Sansom 2013, los 2 conjuntos de apéndices emparejados (hombro y pelvis) se grabaron en piedra cuando los agnatos hicieron la transición a los gnatóstomos (es decir, cuando los primeros organismos vertebrados comenzaron a desarrollar mandíbulas, un cambio anatómico que permite clasificar las diferentes etapas de la historia). encontrado en el registro fósil). Encontraron variaciones en las que un agnathan tenía un par de aletas anales (una especie de tercer juego de apéndices emparejados, ya que las aletas anales normalmente no están emparejadas).

Ahora, avanzando millones de años, el Sarcopterygii (pez de aleta lobulada) evolucionó a los tetrápodos (vertebrados terrestres de 4 extremidades que incluyen anfibios, reptiles, aves y mamíferos), este patrón (2 conjuntos de extremidades emparejadas) se volvió inmutable, aunque mucho menos variación fundamental a lo largo de la filogénesis de los diversos tetrápodos.

Sansom RS, Gabbott SE, Purnell MA. 2013 Aleta anal inusual en un vertebrado sin mandíbula del Devónico revela orígenes complejos de apéndices emparejados. Biol Lett 9: 20130002.