TAC: Una nueva perspectiva para analizar fósiles. El movimiento impreso en los huesos.
Artículo escrito por Laura Rodríguez García, investigadora del Laboratorio Evolución Humana (LEH) de la Universidad de Burgos.
«El hueso refleja, en mayor o menor medida, muchas de las actividades cotidianas del individuo…»
El público general puede pensar en el esqueleto como un símbolo de muerte. Sin embargo el hueso es un vestigio de vida, y es durante la vida que el hueso va cambiando de forma y tamaño respondiendo a las necesidades metabólicas y a los requerimientos mecánicos. Como una estructura de protección y soporte que es, el esqueleto debe funcionar bajo circunstancias muy variables a lo largo de la vida del individuo. Durante el crecimiento, debe cambiar dramáticamente de tamaño y forma para adaptarse a un variado conjunto de demandas funcionales a las que es sometido, y seguirá cambiando a lo largo de la vida para adaptarse a las condiciones imperantes. Es decir, el hueso es un tejido vivo que cambia constantemente, y no una estructura fija y estática.
El hueso refleja, en mayor o menor medida, muchas de las actividades cotidianas del individuo y sigue influenciado por muchos factores que afectan directa o indirectamente a la vida de este (efectos hormonales, deficiencias nutricionales, enfermedades). El estrés mecánico o la aplicación de determinadas fuerzas o cargas sobre elementos particulares del esqueleto tienen también un efecto en el desarrollo y la forma del hueso (Figura 1). Por ejemplo, las dimensiones de la diáfisis (la porción central, cilíndrica y alargada de un hueso largo) de un hueso están afectadas por las cargas durante el crecimiento y la actividad física. Todos estos factores son, pues, importantes fuentes potenciales de información cuando examinamos restos esqueléticos de poblaciones humanas del pasado. Y como los huesos, debido a que el 65% de su composición es materia inorgánica, forman la mayor parte del registro fósil de los vertebrados, y es por ello por lo que pueden contarnos parte de la historia vital del individuo aun miles de años después de su muerte.
Desde el punto de vista de la Biomecánica, el cuerpo humano puede ser visto como una máquina que funciona con un sistema de palancas. En él, los huesos son las vigas que soportan el peso y los órganos pasivos del movimiento, que articulados entre sí constituyen las palancas en las que se anclan los músculos (órganos activos del movimiento) a merced de los impulsos u órdenes que reciben del sistema nervioso. Los huesos, los músculos y las articulaciones conforman, por tanto, una unidad funcional.
«…los principios de la ingeniería y la mecánica pueden ser aplicados a restos óseos humanos…»
Cuando un ingeniero analiza una estructura para determinar su fortaleza, tiene en cuenta tanto su diseño como las propiedades del material que la forma. El tejido óseo tiene propiedades muy similares en todos los vertebrados (también muy especiales, aunque ahora no vengan al caso), por lo que los análisis comparativos se centran sobre todo en el estudio del tamaño, la forma, las proporciones y las propiedades mecánicas que dependen de estos factores. Así, los principios de la ingeniería y la mecánica pueden ser aplicados a restos óseos humanos, sobre todo a los huesos largos, procedentes también de contextos fósiles. Y dado que las influencias que el estrés biomecánico produce sobre el esqueleto son interpretables desde el punto de vista funcional, los análisis biomecánicos de restos esqueléticos son especialmente valiosos a la hora de reconstruir patrones de comportamiento y actividad física de los individuos.
«… el hueso se forma allí donde es necesario y se elimina allí donde no lo es.»
El alemán Julius Wolff, anatomista y cirujano ortopédico del siglo XIX, reconoció la gran sensibilidad que presenta el hueso a los estímulos mecánicos, y especialmente su habilidad para ajustar el tamaño y la forma en respuesta a fuerzas externas. Sus estudios le llevaron en 1892 a proponer lo que él denominó “ley de la remodelación ósea”, hoy conocida como Ley de Wolff que simplemente establece que “el tejido óseo se deposita en la dirección de la demanda funcional” (se crea en aquellas zonas en las que aumenta la demanda funcional y se elimina en aquellas zonas en las que ésta misma demanda disminuye). De manera aún más llana, el hueso se forma allí donde es necesario y se elimina allí donde no lo es.
Por ejemplo, en un famoso estudio de jugadores de tenis profesionales, los investigadores demostraron que los varones tenían un 35% más de hueso cortical (el que forma las paredes del hueso) en el húmero (hueso del brazo) con el que jugaban que en el húmero del brazo contrario. Es bien conocido que los adultos que hacen ejercicio desde su infancia tienden a tener huesos más gruesos y pesados que los que llevan una vida muy sedentaria. También se conocen bien los efectos que tiene la inactividad prolongada, como es el caso de los enfermos con largos períodos de hospitalización sin moverse, o los efectos que sobre los huesos de los astronautas produce la falta de gravedad, problema éste de suma importancia para la supervivencia en el espacio durante largas temporadas.
¿Y por qué estudiar las SECCIONES transversales de los huesos?
Se ha demostrado experimentalmente que un hueso largo puede ser asimilado desde un punto de vista mecánico a una viga de carga como las que se usan en ingeniería. Y resulta que la respuesta del hueso al incremento de las cargas y fuerzas afecta principalmente a la distribución de hueso dentro de la sección transversal del mismo. Por tanto, el estudio de la forma y las propiedades geométricas de las secciones transversales nos abre una ventana al “pasado biomecánico” de un hueso, que en definitiva, y por seguir con la analogía, es una ventana a parte del “pasado biológico” o del comportamiento del individuo.
Al igual que con las vigas, el análisis de las propiedades geométricas de las secciones transversales se usa para estimar la rigidez y la resistencia del hueso. Al torcer, doblar o comprimir una viga, o un hueso largo, la magnitud de estrés mecánico sobre un punto determinado de su superficie es proporcional a la distancia de ese punto a lo que llamamos eje neutro o eje central de la sección. Simplificando mucho, esto significa que la sección transversal más resistente de una viga, o de un hueso largo, es aquella en la que el material se sitúa más alejada del eje neutro. Por tanto, tanto el área de la sección transversal como la distribución de hueso alrededor de su eje neutro, refleja el comportamiento mecánico-funcional de esa sección.
Para que se entienda mejor este fenómeno, podemos utilizar la analogía de la típica regla de dibujo que todos tenemos encima del escritorio. Si le pedimos a usted que doble la regla sin romperla, con toda seguridad la cogerá por sus extremos y aplicará la fuerza sobre la superficie más ancha, seguramente en el centro y la regla se doblará fácilmente. Si ahora le pedimos que intente doblar la regla pero aplicando fuerza en sus bordes estrechos, en su canto, simplemente le resultará imposible hacerlo. Desde el punto de vista biomecánico, en el primer caso (doblar la regla aplicando fuerzas en su superficie más ancha), la poca resistencia se debe a que en esa posición hay muy poca materia alejada del eje neutro en el sentido de la fuerza, y por eso es fácil doblarla (es el efecto del pandeo). La resistencia de la regla en el segundo caso (de canto) se debe a que la materia está relativamente alejada del eje neutro (el que pasa por el centro del plano que forma la superficie de la regla) y por tanto la resistencia de la regla es enorme. La regla está diseñada para resistir fuerzas de combadura (pandeo) en una sola dirección. Ya habrán podido deducir que la naturaleza tubular de los huesos largos los hace eficientes para resistir fuerzas aplicadas en múltiples direcciones.
El análisis biomecánico de las “vigas” de hueso, implica pues medir las propiedades geométricas de las secciones transversales tomadas perpendiculares al eje longitudinal del hueso. Como muestra la analogía de la regla, estas propiedades miden tanto la cantidad como la distribución de tejido óseo en la sección transversal y se utilizan para estimar la rigidez y resistencia del hueso a determinados tipos de cargas y fuerzas. Podemos medir por ejemplo la forma de la sección (más redonda, más elíptica, más triangular …), y dado que es un tubo hueco, podemos medir el grosor de su pared (lo que llamamos cortical) y el área que ocupa esta en relación al área total de la sección, o si hay diferencias de grosor entre distintos puntos de la sección (es decir la distribución del hueso cortical), o las diferencias entre distintas secciones a lo largo del hueso. De un modo muy general las áreas miden resistencia a fuerzas de tensión y compresión mientras que la distribución de hueso y la forma de la sección (medida por los segundos momentos de inercia) nos informan sobre la resistencia a fuerzas de torsión y combadura. En un individuo sano los diferentes huesos largos tienen geometrías irregulares ya que son varias las fuerzas que actúan durante las actividades fisiológicas normales, como correr y caminar.
Los huesos de H. heidelbergensis
Pues bien, este es precisamente el estudio que hemos hecho en los huesos largos de la pierna de los humanos de la Sima de los Huesos, cuyos resultados hemos publicado recientemente en la prestigiosa revista internacional Journal of Human Evolution.
La Sima de los Huesos (SH) encierra en su interior uno de los mayores tesoros paleontológicos del mundo. En ella aparecen más de 6000 restos humanos que pertenecen al menos a 28 individuos atribuidos a la especie Homo heidelbergensis. De ellos, 9 pueden ser considerados como. Éstos representan la mayor muestra de restos humanos fósiles del Pleistoceno Medio pertenecientes a una misma población del mundo y conforman el primer depósito voluntario conocido de individuos de nuestro género. Los fósiles humanos de la SH tienen una edad de 430.000 años y son, desde nuestro punto de vista, una especie exclusivamente europea y el ancestro único de los Neandertales.
En este estudio, nos hemos centrado en los huesos largos de la pierna, es decir, el fémur, la tibia y el peroné, que son los más implicados en la locomoción. Lo que nos indica el estudio en primer lugar es que los humanos de la Sima de los Huesos tenían unos huesos largos de las piernas mucho más robustos, es decir, con unas paredes corticales más gruesas que las nuestras, lo que en principio parece indicar una mayor cantidad total de hueso que en nosotros, observable en la figura 2 (estamos investigando para comprobar si esta mayor cantidad de materia ósea caracteriza solo a algunos huesos largos o es un rasgo general de todo el esqueleto). En esto, lo humanos de SH se parecen también a los de los neandertales y otros humanos arcaicos, como H. ergaster y H.erectus. Paredes más gruesas y diámetros exteriores mayores implican mayor resistencia a las fuerzas de combadura y torsión, pero también a la carga axial, que es la que está provocada, básicamente, por el peso del individuo. Además, su fémur posee secciones muy circulares, mientras que en nuestro caso (H. sapiens) tienen una forma más elíptica de delante hacia atrás o más en forma de almendra. Esto ya nos indica que el patrón de fuerzas al que estaba sometido su fémur era diferente al nuestro. En ellos, este hueso estaba sometido a fuerzas más semejantes en todas las direcciones, sin una dirección preferente como sería en nuestro caso. Esto se relaciona también con la gran anchura del tronco y las caderas (la pelvis) de estos humanos, que impone fuerzas laterales y antero-posteriores distribuidas de manera más uniforme en todas direcciones. Nosotros hemos publicado en varios trabajos, y defendemos, que el biotipo corporal de estos humanos es diferente al nuestro, y no solo por una cuestión de tamaño, sino de forma corporal, muchos más ancha y con diferentes proporciones a las nuestras. La forma de su fémur es pues también un reflejo de un diferente patrón de fuerzas debido a diferencias en la forma corporal.
Por otro lado, la forma de las secciones de las tibias, más elípticas y menos triangulares que las nuestras, coinciden con lo visto en las secciones del fémur y parece que su patrón biomecánico denota altos niveles de estrés mecánico. Así como el fémur, sobre todo sus secciones más superiores (proximales) están, como hemos dicho, muy relacionadas con la forma del cuerpo, la tibia sí que estaría mucho más relacionada con el mayor grado de movilidad de estos humanos.
A esto hay que añadir que en este trabajo hemos podido añadir el peroné (o fíbula), raramente incluido en este tipo de estudios por su escasez en el registro fósil (en esto también la Sima de los Huesos es excepcional). Es un hueso delgado y largo (suele ser victima de muchos traumatismos) y parece que no hace nada, sin embargo es fundamental para asistir a la tibia en la transferencia del peso hacia el tobillo, así como también en los movimientos y sujeción de este. En la Sima de los Huesos, la diáfisis del peroné es muy acanalada y robusta, lo que nos está indicando una potente musculatura de la pierna que los anatomistas achacan a cambios continuos de dirección realizados durante la locomoción. Este tipo de cambios podría relacionarse a su vez con el tipo de terreno en el que vivían estos humanos, cuanto más irregular, más sufre y trabaja el tobillo y mejor sujeto tienen que estar, pero también, con el hecho de su estrategia de caza. Por lo que sabemos hasta ahora estos humanos no conocían ningún tipo de propulsor, de modo que seguramente acecharían a sus presas escondidos hasta tenerlas a la distancia en la que una carrera explosiva les permitiría lancearlas a corta distancia.
Artículo escrito por Laura Rodríguez García, investigadora del Laboratorio Evolución Humana (LEH) de la Universidad de Burgos.
Edición para blog: Samuel Pérez Gutiérrez, de la Unidad de Cultura Científica e Innovación (UBU).
Enlace al artículo científico en Journal of Human Evolution:
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