Autores:
José Miguel Carretero, Laura Rodríguez y Rebeca García-González
Laboratorio de Evolución Humana (LEH), Universidad de Burgos


Es bien conocido que la Sima de los Huesos (SH) encierra en su interior uno de los mayores tesoros paleontológicos del mundo, a saber, la mayor muestra de restos humanos fósiles del Pleistoceno pertenecientes a una misma población biológica. Los fósiles humanos de la SH tienen una antigüedad de 430.000 años y pertenecen a la especie Homo heidelbergensis, una especie exclusivamente europea y antepasada de los Neandertales.

Ahora, en dos trabajos publicados recientemente en revistas de alto impacto científico dentro de su especialidad, como son el Journal of Human Evolution y el Journal of Anatomy (1, 2), hemos podido analizar con mayor detalle la robustez esquelética de estos humanos fósiles. Para ello, hemos estudiado las propiedades físicas de los huesos largos de la pierna a través de sus secciones transversales y hemos calculado, por primera vez en una especie humana fósil, el volumen real de hueso en algunos ejemplares, así como el peso total del esqueleto en al menos dos individuos de la muestra. Esto ha sido posible gracias al excepcional estado de conservación de estos fósiles, que ha permitido explorar su interior a través de la Tomografía Axial Computarizada, técnica analítica que ofrece el Parque Científico de la UBU.

En los trabajos hemos participado los tres investigadores del Laboratorio de Evolución Humana de la UBU arriba firmantes, junto con nuestros colegas Rolf M. Quam, de la Universidad de Binghamtom (NY, USA) y Juan Luis Arsuaga de la Universidad Complutense de Madrid.

Nuestros huesos son el último vestigio, y el último testigo, de lo que fuimos en vida, y lo crean o no, después de decenas, centenares, cientos de miles o millones de años, todavía pueden contar muchas cosas de nosotros, ¡a no ser que les incineren!, en cuyo caso no van a dejar ningún rastro. Como buena estructura de protección y soporte, el esqueleto debe funcionar perfectamente a lo largo de nuestra vida bajo circunstancias muy variables, y nuestros huesos, que son tejido vivo, van a cambiar de forma y tamaño a lo largo de la vida respondiendo a las necesidades metabólicas y a los requerimientos mecánicos de cada momento. Técnicamente decimos que el hueso se “remodela” constantemente. 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. Por ejemplo, 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, y 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 dramáticos efectos que la falta de gravedad tiene sobre los huesos de los astronautas.

Estudiando secciones

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 crea en aquellas zonas en las que aumenta la demanda funcional y se elimina en aquellas zonas en las que ésta misma demanda disminuye”.

Pues bien, se ha demostrado experimentalmente que la respuesta del hueso a las cargas y fuerzas afecta principalmente a la cantidad y distribución de hueso en sus paredes, aspecto que se puede estudiar analizando las secciones transversales del mismo en distintos niveles y a lo largo de su longitud. El estudio de la forma y las propiedades geométricas de las secciones transversales nos abre una ventana al “pasado biomecánico” del 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 haríamos con una viga, una varilla o un tubo, el análisis de las propiedades geométricas de las secciones transversales nos informa de la rigidez y la resistencia del hueso. Al torsionar, retorcer, doblar, combar o comprimir un hueso largo, es decir, al caminar, correr, cargar peso, saltar, frenar …. las fuerzas se ejercen de manera desigual en distintas partes del hueso y por tanto, la cantidad de materia ósea también se va a distribuir por la sección transversal de manera desigual, ajustándose al patrón dominante de fuerzas.

Fémur asociado a Elvis (Atapuerca)
Fémur asociado a Elvis (Atapuerca). Esquema de la sección transversal a mitad del fémur mostrando la distinta distribución de hueso por cuadrantes. Nótese también la diferente forma de las dos secciones. Estos parámetros nos informan sobre las propiedades mecánicas de las mismas y las fuerzas a las que están sometido el fémur en ese punto. 

 

En un análisis de este tipo, nos interesa determinar la forma de la sección (más redonda, más elíptica, más triangular …), y dado que el hueso es un tubo hueco, podemos medir el grosor de sus paredes (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 nos informan sobre la resistencia a fuerzas de torsión y combadura (FIGURA 2).

Esquema de los distintos tipos de fuerzas básicas que afectan a una viga o un hueso
Esquema de los distintos tipos de fuerzas básicas que afectan a una viga o un hueso.

Para que se entienda mejor la importancia de la forma de la sección y la distribución del material en ella, podemos utilizar la analogía de la típica regla de dibujo que todos tenemos encima del escritorio. Si queremos doblar la regla “sin romperla”, lo más fácil será cogerla por sus extremos y aplicar una fuerza perpendicular sobre la superficie plana. La regla se combará fácilmente. Pero, intente doblar la regla sobre uno de sus cantos, simplemente aplicando fuerza sobre uno de ellos, o lo que es lo mismo, una fuerza paralela a la superficie plana de la regla. Simplemente le resultará imposible doblarla. Desde el punto de vista biomecánico, en el primer caso (doblar la regla aplicando fuerza en su superficie plana), la escasa resistencia se debe a que en esa posición hay muy poco material alejado del eje central, o neutro, de la sección en el sentido de la fuerza, y por eso es fácil doblarla (es el efecto del pandeo). La gran resistencia de la regla en el segundo caso (fuerza sobre el canto) se debe a que el material está relativamente mucho más alejado 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 (FIGURA 3). Ya habrán podido deducir que la naturaleza tubular de los huesos largos los hace eficientes para resistir fuerzas aplicadas en múltiples direcciones. La regla ilustra que la magnitud del estrés mecánico que puede soportar un punto determinado de la superficie del hueso es proporcional a la distancia desde ese punto al eje central (o neutro) de la sección transversal y que por lo tanto, la forma de sección transversal más resistente de una viga, o de un hueso largo, es aquella en la que el material se sitúa más alejado del eje central, o neutro, de la sección.  En un individuo sano, los diferentes huesos largos tienen geometrías irregulares ya que son varias las fuerzas que actúan sobre ellos durante las actividades fisiológicas normales, como correr y caminar, y podemos calcular y cuantificar las propiedades físicas (geométricas) de cualquier sección y compararlas dentro del mismo hueso o entre huesos de diferentes individuos.

Fuerza de combadura ejercida perpendicularmente a la superficie plana de una viga
Fuerza de combadura ejercida perpendicularmente a la superficie plana de una viga

En el estudio que hemos realizado de los fósiles de SH y publicado en Journal of Human Evolution, nos hemos centrado en las secciones los tres huesos largos de la pierna, es decir, el fémur, la tibia y el peroné, que son los más implicados en la locomoción. Lo primero que constatamos es la enorme robustez que presentan los huesos de estos humanos arcaicos, mucho más robustos y con unas paredes corticales mucho más gruesas y diámetros exteriores mayores que en nuestros huesos.  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 (vertical), que es la que está provocada básicamente por el peso corporal del individuo. Además, el fémur presenta secciones de forma muy circular (FIGURA 4), mientras que en nuestro caso suele ser más bien elíptica de delante hacia atrás o más en forma de almendra. Esto ya nos indica que el patrón de fuerzas al que estaba sometido el fémur de estos humanos era diferente al nuestro. Por su forma circular podemos deducir que este hueso estaba sometido a fuerzas semejantes o equivalentes en todas las direcciones, sin una dirección preferente como sería en nuestro caso. Esto lo relacionamos con la gran anchura del tronco y las caderas de estos humanos, que impone fuerzas laterales y antero-posteriores distribuidas de manera más uniforme en todas direcciones. Nosotros defendemos, que el biotipo corporal de estos humanos es diferente al nuestro, y no solo por una cuestión de tamaño, sino por la diferente forma corporal, mucho más ancha y con diferentes proporciones a las nuestras. La forma de su fémur es pues un reflejo de un diferente patrón de fuerzas debido a diferencias en la forma corporal.

: Secciones transversales del Fémur X y la Tibia AT-848 de la Sima de los Huesos (Cortesía del Journal of Human Evolution)
: Secciones transversales del Fémur X y la Tibia AT-848 de la Sima de los Huesos (Cortesía del Journal of Human Evolution)

Por otro lado, la forma de las secciones de las tibias, más elípticas y menos triangulares que las nuestras (FIGURA 4), 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 un mayor grado de movilidad y actividad física 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). El peroné es un hueso delgado y de sección muy irregular y que 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 presenta profundas acanaladuras y una cortical gruesa, 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. Podemos deducir entonces gran actividad física y gran movilidad en terrenos variados e irregulares.

 

Estudiando volúmenes

Este primer estudio de las secciones transversales y la gran cantidad de hueso cortical que encontramos en los huesos de la pierna, nos hizo preguntarnos si este rasgo sería algo particular de estos huesos debido a la gran actividad física, o si sería un rasgo generalizado del esqueleto que afectaba a todos los huesos. Y si era esto último, ¿cuánto más volumen de hueso tendrían estos humanos en conjunto?, y entonces, ¿cuánto más les pesaría el esqueleto?, y ¿cómo afectaría esto a otros parámetros físicos como el peso corporal?; ¿podríamos medir esto de alguna forma?. Estas preguntas nos llevaron al segundo trabajo que acabamos de publicar en la prestigiosa revista internacional Journal of Anatomy.

La Sima de los huesos es tan especial, que contamos con varios huesos de brazos y piernas muy completos. Pero completos no solamente por fuera, sino también por dentro, es decir, que apenas han perdido ni cortical ni el tejido esponjoso (trabécula) que rellena sobre todo los extremos. Esta excepcional conservación nos ha permitido utilizar la Tomografía de rayos X para calcular por primera vez el volumen real de hueso contenido en varios ejemplares de fémur y húmero, tanto en términos absolutos como en relación a su tamaño general (FIGURAS 5 y 6). Pero es que demás, una vez calculado el volumen y teniendo en cuenta que la densidad del hueso como tejido es similar en todos los mamíferos, hemos podido calcular fácilmente el peso, casi real, de esos mismos huesos aplicando la relación entre estos tres parámetros: masa = densidad x volumen. Pero aún hay más. Resulta que el peso del fémur está muy correlacionado con el peso total del esqueleto, de modo que conocido el primero, puedo estimar, siempre con un cierto margen de error, el segundo. Es decir, hemos podido estimar también por primera vez cuánto le pesaba el esqueleto a un humano del Pleistoceno …, bueno, en realidad a dos, un par de individuos de la Sima de los Huesos. Y para acabar la jugada, existen algunos estudios, no muchos todo hay que decirlo, que relacionan el peso del esqueleto con el peso corporal, y este parámetro es uno de los más relevantes en la caracterización de cualquier especie de mamífero y tiene implicaciones importantes en muchos aspectos de su biología (distribución geográfica, gasto energético, dieta, tiempos de gestación y desarrollo, tamaño del recién nacido, encefalización, etc).

Nuestros resultados como era de esperar demuestran que cuando comparamos huesos de un mismo tamaño, los huesos de los humanos de SH tienen más volumen de hueso que los nuestros, y como consecuencia un mayor peso, aproximadamente un 40% en los fémures y entre un 20 y un 40% en los húmeros dependiendo del lado. Por ejemplo, el volumen de hueso que contiene el Fémur X de SH es de un 63% de su volumen total, mientras que en un fémur actual de su mismo tamaño, masculino y robusto, es de aproximadamente del 40%.

: Secciones transversales del Fémur X y la Tibia AT-848 de la Sima de los Huesos (Cortesía del Journal of Human Evolution)
Secciones transversales del Fémur X y la Tibia AT-848 de la Sima de los Huesos (Cortesía del Journal of Human Evolution).Fémur actual en el que se ha eliminado la cantidad de aire que contiene, representada en esta imagen en rojo.
Imagen de la sección transversal del extremo inferior de un fémur
Imagen de la sección transversal del extremo inferior de un fémur obtenida con el TAC donde los distintos colores representan diferentes densidades de hueso. El aire aparece en Negro y es análisis detallado permite separar con precisión a este del material óseo para calcular sus proporciones relativas.

Como hemos dicho antes, con el peso del fémur hemos calculado y comparado el peso del esqueleto de dos individuos masculinos de SH, y adivinen, estamos hablando de que ambos tendrían un esqueleto un 35% más pesado que un individuo actual de su tamaño, entendiendo por “su tamaño” el reflejado por el tamaño general del fémur. Esto es mucha diferencia. A el dueño del Fémur X el esqueleto le pesaría 7.200 gr y al del Fémur XIII 5.900 gr frente al promedio de nuestra muestra moderna de comparación formada por 36 individuos masculinos sanos y que sería de 4.200 gr.

Peso estimado del esqueleto de los individuos de SH representados por el Fémur X y el Fémur XIII
Peso estimado del esqueleto de los individuos de SH representados por el Fémur X y el Fémur XIII comparados con muestras actuales (arriba) y en relación al tamaño de su cabeza femoral (abajo) como expresión del peso corporal del individuo. Como vemos las estimaciones para los individuos de SH son muy superiores a lo que sería normal en individuos actuales de su mismo tamaño. (Cortesía Journal of Anatomy)

Como dijimos arriba, hemos explorado las consecuencias que podrían tener estos resultados en dos parámetros biológicamente relevantes, el peso corporal y el gasto energético.

Para estimar el peso corporal de los humanos fósiles podemos utilizar varias aproximaciones dependiendo de la información disponible. El método más inmediato, y más utilizado, es estimar el peso corporal en base al tamaño de la articulación proximal del fémur, la cabeza femoral. En nuestra especie es un buen estimador del peso corporal ya que soporta el mismo e interviene activamente en la locomoción. Haciendo esto, el dueño del Fémur X pesaría unos 80-82 Kg y el del Fémur XIII entre 70 y 73 kg. Pero si además del fémur disponemos de la pelvis completa del mismo individuo, podemos aplicar otras fórmulas más precisas que también tienen en cuenta la estatura y la anchura del cuerpo. Esto lo podemos hacer con el Fémur X, que junto con “Elvis”, la famosa pelvis completa de SH, forman un conjunto que creemos pertenece al mismo individuo. En este caso, el peso corporal calculado para el “Fémur X + Elvis” sería de 93-94 Kg, es decir, de 10 a 14 Kg más que lo estimado con la cabeza femoral. Pero si además, como parece indicar nuestro estudio del volumen de hueso, estos individuos tenían un esqueleto un 36% más pesado que el nuestro, entonces el peso corporal de este individuo podría estar perfectamente entre los 99 y los 102 Kg, y el representado por el Fémur XIII en los 87-88 kg. En cuanto a las estimaciones del gasto energético, las consecuencias de las diferentes estimaciones del peso son evidentes, “a mayor peso mayor gasto”. Evidentemente una mayor masa de hueso significa inevitablemente una mayor masa muscular necesaria para mover el esqueleto. Las diferencias entre unas estimaciones y otras pueden ser de hasta 600 Kcal al día. Como vemos, estas diferencias entre estimaciones para un mismo individuo son enormes y nos lleva a preguntarnos si no estaremos subestimando el peso corporal en todos los humanos arcaicos. Tengan en cuenta que estamos aplicando estándares que quizá solo sirven para nuestra propia especie y que no son directamente aplicables a otras especies humanas. Es decir, probablemente no podemos asumir la misma proporción de volumen de hueso que tenemos nosotros en todas las especies de nuestro género.

Aprovechamos para decir que en trabajos previos hemos estimado una estatura de 170 cm para el individuo representado por el Fémur X. Créanos si les decimos que un individuo de 170 cm y 100 kg de peso, o algo más, es muy difícil de encontrar entre los humanos actuales. Normalmente esos pesos están asociados a estaturas mucho más elevadas. Solamente entre los delanteros de rugby podemos encontrar cuerpos que se aproximan, aunque no igualan, el biotipo de Elvis.

Finalmente, en nuestro trabajo hemos indagado sobre el origen de una mayor masa esquelética en estos humanos, ya que existe una discusión sobre en qué medida la mayor cantidad de hueso en ellos es solamente el producto de una mayor actividad física, atendiendo a la ley de Wolf antes mencionada (más actividad más hueso) o en qué medida esta gran robustez esquelética es una adaptación fuertemente determinada por los genes como parte de un biotipo corporal diferente al nuestro. Hay muchos estudios que demuestran que la masa de hueso varía con la actividad física y otros muchos que indican que es un rasgo con un factor de heredabilidad de entre el 60 y 70%, de modo que la discusión no está cerrada.

Existen sin embargo algunos argumentos que a nuestro juicio, y más allá de la actividad física, apoyan un factor genético importante en el origen de la mayor masa ósea y muscular de los humanos fósiles. En primer lugar, la mayor robustez ósea y las corticales gruesas aparecen ya en los huesos de niños neandertales con la tierna edad de dos, tres y cinco años, incluso en un individuo de apenas 6 meses a un año. Esto mismo ocurre en huesos infantiles de Homo antecesor y de la propia Sima de los Huesos. Por tanto, es difícil pensar que solamente la actividad física puede ser la responsable de las diferencias en la masa ósea. Por otro lado, sabemos que al menos los Neandertales tenían un desarrollo dental acelerado en relación al nuestro y que seguramente eran corporalmente más grandes que un niño sapiens de su misma edad. Nuestros estudios del esqueleto de H. antecesor y los humanos de SH indican que igualmente su desarrollo corporal estaba acelerado y nos apuntamos a los que piensan que estos humanos “empezaban siendo más grandes y continuaban siendo más grandes a lo largo de todo el crecimiento”. Otro argumento del origen genético de la gran masa ósea es que todos los humanos arcaicos tienen un enorme grosor de las paredes del cráneo, cosa que encaja bien con el origen sistémico de un rasgo que afecta a todo el esqueleto, y no casa tan bien con un origen solamente basado en la actividad física, a no ser que un cráneo de paredes gruesas sea un subproducto de esta, claro. Incluso los Neandertales presentan un mayor grosor de la dentina en sus dientes, un tejido que, a diferencia del esmalte dental, tiene el mismo origen embrionario que el hueso.

En fin, nosotros pensamos que se trata de un rasgo asociado al diferente biotipo corporal de estos humanos, mucho más robusto y construido bajo un fuerte control genético. Evidentemente, este biotipo era una adaptación para soportar las demandas mecánicas debidas a un estilo de vida físicamente riguroso, de esto último no cabe duda. Por ejemplo, por lo que sabemos hasta ahora estos humanos no conocían ningún tipo de propulsor o lanzador, de modo que seguramente acecharían a sus presas escondidos hasta tenerlas a la distancia adecuada para, en una carrera explosiva, poder lancearlas a corta distancia. Hace falta estar muy cachas, de brazos, cuello, tórax, caderas y piernas, para lancear de esta manera una presa grande (ciervo, caballo, bisonte, …) y hacerle daño. Y luego había que transportar el botín para ponerlo a salvo.

Finalmente, un argumento muy a favor de nuestra hipótesis sería demostrar que no solo los fémures y los húmeros de estos humanos presentan un mayor volumen de hueso, sino que se da en todos los huesos del esqueleto, de todos los individuos y de todas las edades.

Por favor, denos tiempo, ¡estamos enamorados! del problema y del cuerpo de estos humanos del que poco a poco, y año tras año, vamos sabiendo cada vez más.

 

Referencias

  1. LAURA RODRÍGUEZ, JOSÉ-MIGUEL CARRETERO, REBECA GARCÍA-GONZÁLEZ AND JUAN-LUIS ARSUAGA (2018). Lower limb bones diaphyseal cross-sectional parameters of Middle Pleistocene Hominins from Sima de los Huesos (Atapuerca, Spain). Journal of  Human Evolution, 117, 1-12. DOI: http://doi.org/10.1016/j.jhevol.2017.11.007.
  2. JOSÉ-MIGUEL CARRETERO, LAURA RODRÍGUEZ, ROLF-MICHAEL QUAM, REBECA GARCÍA-GONZÁLEZ & JUAN LUIS ARSUAGA (2018). Exploring bone volume and skeletal weight in the Middle Pleistocene Humans from Sima de los Huesos Site (Sierra de Atapuerca, Spain). Journal of Anatomy, 1-15. DOI: http://doi.org/10.1111/joa.12886