Osteologia de Brachycephalus (Anura: Brachycephalidae) : desenvolvimento e diversidade morfológica das placas ósseas, região auditiva e sua importância para o monofiletismodo gênero

Abstract

O surgimento de novidades morfológicas e o aumento de tamanho e de complexidade são eventos evolutivos raros. Por outro lado, a redução de tamanho e a perda de estruturas e de complexidade talvez sejam os eventos mais comuns no processo evolutivo. No gênero Brachycephalus, encontramos um mosaico dessas duas tendências: simplificação e novidades morfológicas. Na diagnose de todas as espécies deste gênero, menciona-se a presença e ausência de ossificações dérmicas. No entanto, nem todos os trabalhos de descrição usam métodos apropriados para a descrição de dados osteológicos. As placas ósseas associadas às vértebras e ao crânio de Brachycephalus ephippium foram classificadas como osteoderme. Contudo, o desenvolvimento ontogenético dessas estruturas não foi estudado. O recente trabalho de Frost et al. (2006), propões várias mudanças na taxonomia e sistemática na maioria das grandes famílias de anfíbios. De acordo com este trabalho, não existem caracteres morfológicos que suportem a monofiletismo do gênero Brachycephalus. Adicionalmente, este trabalho sugere a proximidade filogenética entre os gêneros Brachycephalus, Euparkerella e Adelophryne, baseada em padrões supostamente homólogos de redução e perda de falanges. Entretanto, essas hipóteses foram baseadas apenas em Brachycephalus ephippium, que por décadas foi a única espécie do gênero. Consequentemente, muito da diversidade osteológica do gênero Brachycephalus não foi considera nestes estudos prévios. Os objetivos desta dissertação foram: 1) a descrição da ontogenia das placas ósseas associadas ao crânio e vértebras de Brachycephalus ephippium; 2) a descrição da diversidade morfológica das placas ósseas entre espécies do gênero Brachycephalus e 3) avaliar a importância da osteologia do aparato auditivo de Brachycephalus para o monofiletismo do gênero. Adicionalmente, reavaliamos os dados da literatura sobre redução de falanges no grupo e as conseqüências taxonômicas envolvidas. Exemplares de Brachycephalus ephippium foram coletados em Atibaia, Cotia, Mogi das Cruzes e Itamonte. Incluímos também espécimes de B. brunneus, B. hermogenesi, B. nodoterga, B. pernix, B. cf. vertebralis, B. vertebralis, e duas espécies não descritas aqui referidas como Brachycephalus sp1 (de Nova Friburgo e Petrópolis) e B. sp2 (Faz. Capricórnio, Ubatuba). Os espécimes foram mortos por injeção de cloridrato de bupivicaína 0,2% e então submetidos às seguintes preparações: maceração e microscopia eletrônica de varredura; diafanização e coloração com alizarina e azul de alcian e microscopia de luz. Nossos resultados indicam que as placas ósseas de B. ephippium são estruturas independentes aqui classificadas como ossos ordinários e não como osteoderme. Existem três tipos de placas ósseas: 1) a placa parótica, localizada na porção postero-lateral do crânio; 2) as placas espinhais, fusionadas aos processos espinhais de todas as vértebras e 3) as placas para-vertebrais, associadas aos processos transversos das vértebras IV e V. O tipo de ossificação das placas ósseas é intermembranoso (também conhecido como ossificação dérmica). Entretanto, a formação das placas não ocorre no tegumento, como mencionado em trabalhos anteriores. Adicionalmente, encontramos evidências histológicas de que o pericôndrio das vértebras em crescimento contribui com células que formam a membrana perióstea das placas paravertebrais e espinhais. A possibilidade de participação de células da derme na formação do periósteo das placas ósseas não foi descartada. No entanto, estas estruturas não cabem no termo osteoderme, que até o momento, está definido de forma confusa, agrupando uma série de estruturas possivelmente não homólogas. Não existem precedentes na literatura de registro de estruturas semelhantes às placas paróticas. As placas associadas às vértebras, entretanto, estruturas possivelmente análogas são encontradas em outros gêneros como Dendrobates, Ceratophrys e Lepdobatrachus. Todavia, serão necessários estudos osteológicos. ____________________________________________________________________________ ABSTRACT

The rising of morphological novelties, growth of body size and structural complexity are uncommon evolutionary events. On the order hand, the miniaturization of body size and morphological simplification may be the most usual tendencies in the evolutionary process. Incredibly, both morphological novelties and morphological simplification could be observed in species of Brachycephalus. In the genus Brachycephalus, in all species diagnosis, the presence and absence of dermal ossifications is mentioned. Nevertheless, not all descriptions use appropriate methods for osteological studies. The plates associated with vertebrae and skull of B. ephippium were, previously, identified as osteoderm. Though, there are not any studies on ontogens and development of these structures in Brachycephalus. The recent work of Frost et al. (2006) proposes taxonomic and systematic changes in most amphibians family clades. According to this article, there are no currently known morphological characters that support the monophyly of the genus Brachycephalus. In addition, Frost et al (2006) corroborate the hypothesis of a close relationship among geni Brachycephalus, Euparkerella and Adellophryne, based on digital reduction and loss patterns. Though, these considerations were made using only B. ephippium, and thus, too much osteological diversity among Brachycephalus species were not evaluated in previous works. The goals of this dissertation are:1) ontogenetic description of the bony plates present in vertebrae and skull of B. ephippium; 2) description of morphological variations in this plates in species of the genus Brachycephalus; 3) evaluate the importance of the auditory region osteology and falangeal formulae to the monophyly of the genus Brachycephalus. We also reevaluate the available information on digital reduction and its importance to the systematics of the taxa involved. Units of B. ephippium were collected in Atibaia, Cotia, Mogi das Cruzes, Teresópolis and Itamonte. In addition, we included units of B. brunneus, B. hermogenesi, B. nodoterga, B. pernix, B. cf. vertebralis, B. vertebralis, and two undescribed species: Brachycephalus sp1 (from Nova Friburgo and Petrópolis, RJ Brazil) and Brachycephalus sp2 (from Faz. Capricórnio, in Ubatuba, SP Brazil). The specimens were killed with bupivicaine chloridrate (0.2%) and submitted at scanning electronic microscopy. Other specimens were fixed in formalin solution (10%), cleared and double stained with alizarin red and alcian blue Juvenile xi specimens of B. ephippium were submitted to histological techniques for ontogenetic description of the bony plates. We report that the bony plates are new, independent, and ordinary bone structures, that arise in early development stages. There are three types of bony plates, where named: 1) parotic plates, found in the postero-lateral portion of skull; 2) spinal plates, fused with spinal processes of all vertebrae and 3) paravertebral plates, associated with transverse processes of IV and V vertebrae.The bony plates type of ossification is intermembranous (named also as dermal ossification). However, its rising does not take place in integument, like proposed previously in literature. In addition, we found histological evidences that the perichondrial membrane of the growing vertebrae, releases cells to form a periosteal membrane of the paravertebral and spinal plates. The possibility of participation of dermal cells in the formation of precursor tissue of bony plates was not discarded. However, we decided that these structures are not osteoderms. This term is confused, and possibly enclose many non homologous structures. That is the first time that a structure like the parotic plate is being reported in literature. However, the spinal and paravertebral plates may have analogous structures in other genus, as Ceratophrys, Lepidobatrachus and Dendrobates. Nevertheless, a complementary comparative osteological studies will be necessary to analyzed the semblance among the bony plates in other geni. The morphological variations of the bony plates in the genus Brachycephalus suggest that there are monophyletic groups in the genus, that may be recognized by following patterns:1- absence of bony plates (occurring in B. brunneus, B. didactylus, B. ferruginus, B. hermogenesi, B. izecksohni, B. pernix and B. pombali); 2- presence of parotical plates and spinal and paravertebral plates of variable size and degree of ossification and ornamentation (occurring in B. ephippium, B. nodoterga, B. vertebralis, B. sp1 and B. sp2). Nevertheless, the monophyly of these groups remind to be tested in a phylogenetic analysis, using data from different sources. The auditory apparatus of most anurans is composed of a tympanic membrane, connected to the stapes. It is connected to the operculum, which conduces the sound vibrations to the inner ear. In Brachycephalus species the tympanic membrane and the stapes are absent. In addition, we discovered a new set of characters that may corroborate the monophyly of the genus: 1) the posterior orientation of the fenestra ovalis; 2) the enlarged operculum that nearly xii fills the fenestra ovalis; 3) bears a large process for the attachment of the m. opercularis and 4) absence of one phalange in digit V. Analyzing the osteology of species that were recently included in Brachycephalidae, and other miniaturized species among other groups, we conclude that these characters are unique to Brachycephalus genus, and support its monophyly. Other important conclusion is that the digital morphology does not corroborate a close relationship between Brachycephalus and Euparkerella or either Adeloprhyne, as suggested by Frost et al. (2006). The position of Brachycephalus in the Brachycephalidae remains to be analyzed in further investigations.