Ardilla (Wikipedia; imagen: Finlay Cox)
Ardilla (Wikipedia; imagen: Finlay Cox143)

La vida arbórea ofrece ciertas ventajas a los animales que se han adaptado a ella. Charles Darwin, en “El origen del hombre y de la selección en relación con el sexo”, se refirió a las ventajas de esa modalidad de vida por la protección que ofrece frente a la acción de depredadores. Pero las ventajas no se quedan ahí. De acuerdo con la teoría evolutiva del envejecimiento, una especie cuya tasa de mortalidad extrínseca es baja debe tender a experimentar senectud tardía y longevidad prolongada. Más adelante veremos en qué se traduce esa previsión teórica, porque al parecer, en el caso de las especies de vida arbórea, se cumple.

Tanto aves como murciélagos sufren menores tasas de mortalidad extrínseca y son más longevos que los endotermos no voladores (mamíferos, excluídos los murciélagos). Eso es así porque, probablemente, el vuelo reduce los riesgos derivados de la exposición a depredadores, enfermedades y riesgos ambientales propios del medio terrestre. Del mismo modo que el vuelo, la “arborealidad” puede hacer que disminuya la mortalidad extrínseca y que la duración de la vida se prolongue, algo que también se ha propuesto como explicación para la gran longevidad de los primates.

Pues bien, dos investigadores de la Universidad de Illinois (EEUU) han certificado los beneficios de la vida en el medio arbóreo. Milena Shattuck y Scott Williams han realizado un estudio comparativo de 776 especies de mamíferos y han comprobado que las especies que viven en las ramas de los árboles viven más que las del mismo tamaño que viven en el suelo. Es más, la regla se cumple incluso cuando se analizan especies pertenecientes a un mismo grupo, como es el caso de las ardillas. De entre ellas, viven más años las que saltan de rama en rama que las que viven a ras de suelo. Hay dos únicos grupos que no cumplen la norma, aunque se trata de grupos en cuyo pasado ha habido periodos de vida arbórea.

Habrá quien piense que todo esto es de Perogrullo; porque parece obvio que, en general, han de vivir más años los animales que se libran de la acción de los depredadores. Eso es así, por supuesto, pero no es esa la cuestión. De lo que se trata es de que incluso aunque no se los llegue a comer ningún depredador, los que viven a ras de suelo envejecen antes y mueren antes. Y lo que propone la teoría evolutiva es que las mutaciones que eventualmente pudieran promover la longevidad no se seleccionan en los animales que mueren jóvenes: sencillamente no les da tiempo a experimentar, en términos evolutivos, las ventajas de la mayor longevidad potencial. Sin embargo, en aquellas especies más a salvo de riesgos extrínsecos de mortalidad, las mutaciones conducentes a variedades más longevas sí resultan seleccionadas, porque los individuos llegan a vivir más y al reproducirse a edades más avanzadas pueden transmitir los genes de la longevidad a la progenie.

Fuente: Milena R. Shattuck y Scott A. Williams (2010): “Arboreality has allowed for the evolution of increased longevity in mammals.” Proceedings of the National Academy of Sciences 107: 4635-4639.

Symsagittifera 2

En las costas de Bretaña y Gran Bretaña ocurre en ocasiones un curioso fenómeno: sus playas aparecen de color verde, como si estuviesen teñidas, o como si hubiese proliferado alguna especie de alga en ellas. De cerca, sin embargo, se ve claramente que no son algas las que le dan a la playa ese color. Las algas son incapaces de moverse por sí mismas cuando se encuentran en tierra firme y, sin embargo, “eso” que está encima de la arena o el fango, se mueve. No son algas, son animales, gusanos para más señas. Se trata de gusanos planos de la especie Symsagittifera roscoffensis[1]pertenecientes al filo Acoelomorpha.

Si se coloca un ejemplar joven de la especie bajo el microscopio puede verse con facilidad que el intestino y las células parenquimáticas se encuentran llenas de microalgas del género Tetraselmis. Esa es la razón del color verde de los gusanos. Symsagittifera tiene un modo de vida muy especial. En la etapa juvenil ingiere las microalgas pero no las digiere y se quedan en su interior adoptando una forma simbionte de vida. Por su parte, las microalgas no pierden la capacidad fotosintética y, gracias a ello, se convierten en una importante fuente de energía para el gusano. En un único gusano plano se han llegado a contar hasta veinticinco mil microalgas.

Al alcanzar la madurez el gusano experimenta una serie de cambios anatómicos muy importantes, puesto que pierde boca e intestino en ese periodo de la vida. A partir de ese momento, las microalgas se convierten en la única fuente de energía de Symsagittifera; podría incluso afirmarse que se ha convertido en un ser vivo autótrofo. Es un animal, sí, pero un animal muy especial: la energía la obtiene del sol y el carbono del dióxido de carbono.

Como es lógico, y dado su especial modo de vida, ha desarrollado adaptaciones adecuadas para optimizar la captación de luz solar. Aunque tiene un sistema nervioso muy sencillo, Symsagittifera tiene dos ojos del tipo de copa pigmentaria y un estatocisto en la zona anterior. Gracias a esas dos estructuras es capaz de realizar los movimientos necesarios para orientarse de forma que reciba la luz solar del modo más eficiente posible.

Gusanos….. los hay de toda condición. 😉


[1] Hasta hace poco tiempo Convoluta roscoffensis

Imagen: Cephas (Wikipedia)
Imagen: Cephas (Wikipedia)

Muchas aves que se reproducen en una zona, viajan a otra más favorable a pasar el invierno. En las altas latitudes hay abundancia de alimento durante la primavera y el verano y, además, la temperatura ambiental es suave. Durante el invierno y los meses próximos, sin embargo, las condiciones son muy difíciles. Hay menos comida o no la hay en absoluto y simplemente sobrevivir resulta verdaderamente difícil bajo temperaturas frías extremas.

Las condiciones de las altas latitudes resultan especialmente difíciles para las aves pequeñas. Los pájaros pierden, por unidad de masa, más calor que las aves más grandes, por lo que necesitan más alimento para compensar la mayor pérdida de calor relativa. Por ello, no es sorprendente que las aves, y sobre todo los pájaros, de altas latitudes tengan hábitos migratorios.

Pero migrar también es muy duro. El investigador norteamericano Scott McWilliams ha realizado investigaciones muy interesantes sobre los pájaros migrantes y aquí presentaré algunos de los resultados cosechados en dichas investigaciones[1].

Las aves almacenan grasas y proteínas para preparar la migración. Antes de viajar comen más y seleccionan, además, alimentos ricos en grasa y proteína. En los días previos a comenzar el viaje, pueden llegar a comer hasta cuatro veces más, para lo que incrementan de modo significativo la capacidad de su sistema digestivo. De no incrementar mucho su capacidad digestiva, no podrían hacer frente a la mayor ingesta de alimento. El proceso que da lugar al aumento de la capacidad digestiva lo desencadena una señal ambiental, el fotoperiodo. De hecho, en aves mantenidas en cautividad bajo condiciones experimentales, se ha podido comprobar que es el cambio en las horas de luz el factor que desencadena el aumento en la capacidad digestiva y en la tasa de ingestión del alimento. Los cambios hormonales que ocurren en respuesta al cambio estacional en la duración del periodo de luz diurna son los responsables del aumento en la ingestión, del engorde y, también, de la predisposición a volar de noche.

Una vez almacenadas las grasas y las proteínas que necesitarán, comienzan el viaje que les llevará desde las zonas de reproducción y cría hasta las zonas donde invernarán. La mayor parte de los pájaros migratorios de la zona templada alternan periodos de vuelo con periodos de descanso durante el viaje. Por ello, tienen la posibilidad de restablecer los depósitos de energía durante los periodos en que no vuelan. Ahora bien, en ocasiones se ven a obligados a modificar y hacer más flexible su régimen alimenticio. De hecho, muchos pájaros insectívoros consumen fruta durante los periodos de descanso, puesto que en las zonas donde escasean los insectos pueden satisfacer con más rapidez y facilidad sus necesidades recurriendo a la fruta como alimento.

El pájaro migrante que se conoce en Latinoamérica con el nombre de “reinita rayada” o “chipe gorranegra” y cuyo nombre científico es Setophaga striata es digno de mención. Es pequeño. Tiene una longitud de 14 cm y una masa de 12 g. Se desplaza desde Norteamérica a Centroamérica y norte de Sudamérica, y una parte considerable del viaje lo realiza sobrevolando el Océano Atlántico. En promedio, viene a recorrer unos 3.000 km sobrevolando el mar, lo que supone que debe realizar desplazamientos ininterrumpidos de casi 90 h. Una verdadera hazaña.

Se trata, por lo tanto, de un viaje de gran nivel de exigencia y por ello, las características fisiológicas que le permiten hacer frente a esa exigencia son también bastante especiales. Por un lado, antes de iniciar el viaje llega a duplicar su masa corporal almacenando lípidos y proteínas, y lo puede llegar a hacer en tan solo una semana. Y por otro lado, en el momento en que empieza a volar se inicia un proceso de atrofiamiento de su sistema digestivo. El aparato digestivo es una estructura muy activa, por lo que su metabolismo es muy alto, y ello supone que se necesita un considerable aporte de energía para mantenerlo. Por esa razón, a la reinita rayada le resulta ventajoso ahorrarse esa energía, pues el total que supondría mantenerlo activo durante 90 inútiles horas resulta un gasto excesivo. Esa es la razón por la que se atrofia, porque la energía que se ahorra de esa forma la puede dedicar a mantenerse en vuelo durante periodos tan largos de tiempo.

Ese comportamiento sólo tiene una pega. No puede reiniciar la actividad alimenticia de manera inmediata tras finalizar el vuelo, puesto que el sistema digestivo requiere entre uno y dos días para regenerarse y poder digerir y absorber alimento de nuevo. No obstante, Dendroica obtiene un rendimiento evidente de esa forma de proceder, pues una vez finalizada la migración dispone de tiempo de sobra para recuperar lo perdido.

Es verdaderamente impresionante la flexibilidad del sistema digestivo de un ave tan pequeña: antes de migrar eleva de forma significativa su capacidad física y funcional; al empezar a volar lo atrofia para no gastar recursos inútilmente; y una vez finalizado el viaje, restablece su funcionalidad en unas cuantas horas.

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[1] En el sitio que tiene en la web de la Universidad de Rhode Island da cuenta de las investigaciones que se relatan aquí: http://www.gso.uri.edu/maritimes/Text_Only/00Summer/text/birds.html

Gorrión melódico (Fotografía: Ken Thomas; Wikimedia Commons)
Gorrión melódico (Fotografía: Ken Thomas; Wikimedia Commons)

El depredador, si puede, se come a la presa, y la presa hace todo lo posible por evitar ser comida. Esa relación condiciona la demografía de las dos especies. El depredador obtiene biomasa de ese modo, por lo que puede utilizarla para producir nuevos individuos de su misma especie. La presa, por el contrario, desaparece; por ello, el número de ejemplares de la población a la que pertenece disminuye y el potencial para producir nuevos individuos también desciende. Aunque la mayoría de las relaciones tróficas que existen entre las especies son más complejas, muchas de las que se dan en la naturaleza obedecen, en lo esencial, a ese modelo.

Pero resulta que los depredadores, además del efecto directo que ejercen sobre las presas a través de la mortalidad, les causan un daño adicional, lo que conlleva un efecto negativo asociado sobre la demografía de sus poblaciones. La culpa la tiene el miedo de las presas. Esto es lo que se ha observado en estudios realizados con el gorrión melódico Melospiza melodia. Porque resulta que este gorrión pone menos huevos en cada puesta cuando se encuentra amenazado por la presencia de depredadores.

Así es, el comportamiento de Melospiza se modifica de forma muy marcada cuando percibe la amenaza de depredadores: hacen sus nidos en zonas de vegetación más densas, tienen un comportamiento más miedoso -o más prudente, depende de cómo se mire-, permanecen durante menos tiempo en el nido incubando los huevos y, por último, los padres frecuentan menos el nido para alimentar a los polluelos tras la eclosión de los huevos. Como consecuencia de ese comportamiento, la probabilidad de que eclosionen los huevos es menor, como también lo es la probabilidad de que los pollos alcancen con vida el momento de abandonar el nido. Esos son los costes que se derivan del miedo que tienen las presas potenciales a sus depredadores, y como consecuencia de esos costes, el número de crías de una madre atemorizada se reduce hasta en un 40% por comparación con el de las que no sufren amenaza ninguna.

¿Cuál es la razón de que se produzca ese efecto? ¿Por qué ponen menos huevos las hembras atemorizadas? ¿Por qué es menor su esfuerzo reproductivo? ¿Por qué esos costes? Esas preguntas no tienen una respuesta fácil, pero seguramente, ese es el comportamiento que más beneficio reporta cuando es alta la probabilidad de que sean atrapadas las crías recién nacidas o de corta edad. La lógica subyacente a ese comportamiento sería la siguiente: en condiciones de alto riesgo no tendría mucho sentido dedicar un gran esfuerzo a la puesta, a incubar los huevos y a atender a las crías, porque también sería alta la probabilidad de que se perdieran los frutos de todo ello. Escatimando esfuerzos bajo condiciones de alto riesgo de depredación se conseguiría, sin embargo, ahorrar recursos que podrían ser utilizados en una posterior época reproductora, asumiendo que el riesgo de depredación no es constante a lo largo del tiempo.

Sean cuales sean las razones, parece claro que la percepción del peligro de depredación ejerce efectos muy negativos sobre la demografía del gorrión melódico. Y por lo tanto, los depredadores ejercen, como antes he señalado, una doble influencia negativa: por un lado la directa, a través de la mortalidad que causan, y por el otro, la indirecta que ocasionan a través del miedo.

Fuentes:

Thomas E. Martin (2011): “The Cost of Fear” Science 334: 1353-1354

Liana Y. Zanette, Aija F. White, Marek C. Allen, Michael Clinchy (2011): “Perceived Predation Risk Reduces the Number of Offspring Songbirds Produce per Year” Science 334: 1398-1401

Elefantes africanos (Loxodonta africana) (Imagen: Ikiwaner; fuente: Wikipedia)
Elefantes africanos (Loxodonta africana) (Imagen: Ikiwaner; fuente: Wikipedia)

Los cachalotes son animales marinos y los elefantes, terrestres. Unos y otros son mamíferos, pero se trata de especies que no se encuentran muy próximas una de la otra.

Y sin embargo, a pesar de las evidentes diferencias entre una y otra especie, cachalotes y elefantes tienen mucho en común. Comparten rasgos muy específicos y por esa razón hay quien se ha referido a esa similitud con la denominación de “convergencia colosal”.

Ambas especies viven en medios muy estables, porque tanto el mar como la sabana o selva abierta experimentan pocos cambios a lo largo del tiempo. Son de vida prolongada: pueden llegar a los sesenta años de edad, y ambas alcanzan la madurez sexual en su segunda década de vida. El periodo de tiempo que transcurre entre alumbramientos es de unos cinco años en ambos casos, y a partir de los cuarenta años de edad disminuye el esfuerzo reproductor. Las elefantas más viejas cumplen una importante función en el grupo de elefantes y, muy probablemente, lo mismo ocurre con las hembras de cachalote de más edad. Las hembras más viejas de ambas especies son verdaderas matriarcas en los grupos -formados por hembras y por crías- que dirigen.

Unos y otros consumen enormes cantidades de alimento a lo largo de sus vidas y para adquirirlo se desplazan a lo largo de grandes distancias. Los elefantes se alimentan de diferentes especies vegetales y, como he señalado, necesitan comer grandes cantidades. Si no tenemos en cuenta a la especie humana, los elefantes africanos son los animales que han causado un mayor impacto en África. No es fácil saber cuál es el efecto que causan los cachalotes sobre el entorno en el que viven. Consumen todo tipo de presas, incluidos calamares de varias especies y peces, también de muchas especies, y también realizan grandes desplazamientos para alimentarse y reproducirse. Si bien el número total de cachalotes se ha reducido sensiblemente a lo largo de los siglos XIX y XX por efecto de la caza indiscriminada, en la actualidad consumen del orden de cien millones de toneladas de alimentos, una cantidad equivalente a la que extraen los seres humanos del mar mediante la pesca.

Un grupo de elefantes está formado por unos diez individuos. Las familias son matrilineales y las hembras pasan, muy probablemente, toda su vida en el mismo grupo familiar. Los miembros del grupo hacen muchas cosas al mismo tiempo y en compañía: se mueven, comen, beben y descansan juntos. Los miembros de una misma familia se tocan, se huelen y se acarician unos a otros. Para comunicarse entre ellos utilizan el tacto, el olor, la vista y, sobre todo, el oido. Gracias a ello mantienen vínculos estrechos. Emiten y reciben infrasonidos de entre 12 y 36 herzios, algunos de ellos de más de 100 dB de potencia. De hecho, elefantes separados hasta por 4 km de distancia pueden comunicarse mediante esas señales.

La estructura de grupo de los cachalotes es similar a la de los elefantes, aunque es menos lo que se sabe de ellos; el grupo lo forman del orden de una docena de individuos. La mayor parte del tiempo la pasan bajo el agua, cazando. Las inmersiones suelen ser de unos 400 m de profundidad, aunque pueden ser más prolongadas, y vienen a durar unos 40 min en promedio. Mientras se encuentran bajo el agua producen unos sonidos o chasquidos característicos, -a los que se denomina klik-, que emiten a intervalos regulares. Las frecuencias de esos sonidos son variadas dentro de un intervalo muy amplio, de 200 a 32000 herzios. Parece ser que se trata de señales de ecolocalización que utilizan para localizar a sus presas.

En los grupos con crías, el grupo asume la tarea de cuidar de los más pequeños y no es raro que una cría mame de una hembra adulta que no es su madre; ese comportamiento también es habitual entre los elefantes. Al atardecer dejan de sumergirse y permanecen nadando en grupo durante horas, lentamente, con tranquilidad, jugando y acariciándose unos a otros con las aletas y con las mejillas. Cuando juegan de ese modo, producen secuencias de chasquidos (kliks) y es muy posible que esos chasquidos sean elementos de un sistema de comunicación que ayude a cohesionar el grupo y a coordinar sus movimientos.

Elefantes y cachalotes son mamíferos grandes y de inteligencia considerable. Sus grupos tienen estructuras semejantes. Ambos se sirven del conocimiento ecológico que atesoran los miembros más viejos del grupo, sobre todo en lo relativo a la localización del alimento y el agua. La información con que cuentan los miembros de más edad les sirve para saber cómo varían los recursos alimenticios a lo largo de las estaciones, o cuándo y dónde se puede encontrar agua; en ambos casos se trata de información esencial para la supervivencia de los integrantes del grupo. Seguramente, el hecho de que la vida de cachalotes y elefantes sea tan prolongada tiene mucho que ver con ese conocimiento que poseen los miembros de más edad del grupo.

Una última consideración. Los seres humanos no somos tan grandes como elefantes o cachalotes, ni la estructura de los grupos humanos se parece a la de esas especies, pero el caso es que a mí me resultan muy cercanas a la nuestra. No sé si es por su inteligencia, por su mirada, por sus manifestaciones de afecto, o por alguna otra razón, pero no creo que haya muchas especies, salvo los grandes simios, que se nos parezcan tanto.

Como vimos en la anotación anterior, la rana del bosque (Rana sylvatica o Lithobates sylvaticus) puede tolerar la congelación. También vimos a qué mecanismos recurre para conseguirlo. Pues bien, resulta que además dentro incluso de la misma especie hay diferencias en el grado de tolerancia a la congelación, y esas diferencias tiene su origen en diferentes intensidades de los mecanismos que les permiten mantenerse con vida bajo condiciones tan extremas.

En un estudio reciente se han comparado ranas procedentes de la zona de los Grandes Lagos de Norteamérica (Ohio) con otras del interior de Alaska. Las primeras han de afrontar inviernos duros, pero el área en la que viven no deja de estar en la zona templada del planeta. Alaska, sin embargo, tiene condiciones extremas y las ranas de aquella zona pueden sobrevivir incluso tras encontrarse expuestas a -18ºC. Cuando se encuentran resguardadas en sus hibernáculos son habituales temperaturas tan bajas como -10 ºC, características del suelo que queda bajo la capa de nieve. Por comparación, las de la zona de los Grandes Lagos, sólo toleran la congelación a temperaturas entre -3ºC y -6ºC.

Zonas de procedencia de las ranas utilizadas en este estudio
Zonas de procedencia de las ranas utilizadas en este estudio

Los tres principales responsables de la supervivencia de las ranas son el agua ligada[1], por un lado, y urea y glucosa por el otro, los dos osmolitos[2] a los que hicimos mención en la anotación anterior. La urea se acumula durante el otoño y el invierno temprano, y la glucosa se moviliza de forma rápida y muy abundante a partir de las reservas hepáticas de glucógeno en respuesta directa a la congelación. Ambos agentes, urea y glucosa, junto con el agua ligada, limitan el daño que provoca la congelación, al provocar un descenso coligativo del punto de fusión de los fluidos corporales, preservando así la integridad de las membranas y macromoléculas. La crioprotección es consecuencia también de la redistribución de agua y su “secuestro” en forma de hielo dentro de los compartimentos celómico y linfático; de esa forma se limita la formación de hielo en el interior de los órganos, lo que podría ser muy dañino para células y tejidos.

Las ranas de localización más septentrional llegan a multiplicar por 2,3 el glucógeno hepático en el hígado durante el periodo anterior a la congelación; de esa forma cuentan con una fuente de glucosa abundante por si necesitan elevar la concentración de ésta en la sangre. Las ranas de Ohio, sin embargo, acumulan mucho menos glucógeno y, en correspondencia, casi no acumulan glucosa en la sangre en respuesta a la congelación. Pero mucho más que la glucosa, lo que verdaderamente contribuye a elevar la concentración osmótica de los fluidos corporales es la urea; las ranas más septentrionales elevan su concentración en sangre de forma muy notable (alcanzan una concentración de 106±10 μmol ml-1). Y lo que resulta aún más significativo: otro u otros solutos no identificados también se concentran de forma importante (hasta unos 73 μmol ml-1). Sin embargo, las ranas de los Grandes Lagos presentan cifras de uremia muy inferiores (28±5 μmol ml-1) y no parece haber contribución de otros solutos a la concentración osmótica plasmática.

Los investigadores han observado un interesante fenómeno en relación con la elevada uremia que alcanzan las ranas de Alaska durante su aclimatación al frío anterior a la congelación. Esas ranas experimentan atrofia muscular a pesar de que, de forma simultánea, se está sintetizando glucógeno en el hígado; por esa razón, lo más probable es que esa atrofia sea un proceso regulado de degradación de proteínas musculares al servicio de la formación de urea y no, como podría parecer, consecuencia de condiciones de ayuno. Al fin y al cabo, si las ranas ayunasen no habría posibilidad de sintetizar glucógeno y no hay que olvidar que la urea es un producto del catabolismo de proteínas y la forma en que muchos animales eliminamos nuestros restos nitrogenados.

Imagen: Brian Gratwicke
Lithobates sylvaticus (Imagen: Brian Gratwicke)

Por último, es posible que una parte muy importante de las diferencias en el grado de criotolerancia entre las ranas de Alaska y las de Ohio también se deba a la variación en su contenido en agua ligada, ya que cuanto mayor sea la proporción de ésta en los fluidos corporales, mayor es el descenso en el punto crioscópico.

En resumen, la adaptación a localidades con temperaturas invernales más bajas y en las que no es posible evitar la congelación, pasa por intensificar los mecanismos que confieren crioprotección. Cuanto más baja es la temperatura ambiental, con más intensidad se acumulan osmolitos orgánicos en los fluidos corporales, de forma que la formación de cristales de hielo se dificulta notablemente, sobre todo en el interior de las células. El hielo, que puede llegar a ser superior al 60% del agua corporal, se limita a la hemolinfa y el celoma, los dos compartimentos corporales donde menos daño puede causar.

Fuente: Jon P. Costanzo, M. Clara F. do Amaral, Andrew J. Rosendale and Richard E. Lee, Jr (2013): Hibernation physiology, freezing adaptation and extreme freeze tolerance in a northern population of the wood frog The Journal of Experimental Biology 216, 3461-3473


[1] El agua ligada (bound water) es agua que se encuentra unida a macromoléculas y orgánulos celulares; su presencia dificulta la formación de hielo, por lo que provoca un descenso de la temperatura de fusión de los fluidos fisiológicos.

[2] Utilizamos el término “osmolito” para referirnos a cualquier sustancia disuelta responsable de una fracción de la concentración osmótica y, preferentemente, cuando la función única o principal de esa sustancia es, precisamente, la de contribuir a elevar la concentración osmótica del medio en el que se encuentra disuelta.

Zootoca vivipara (Imagen: Marek Szczepanek)
Zootoca vivipara (Imagen: Marek Szczepanek)

Como vimos en la entrada anterior, hay animales que son capaces de sobrevivir a la congelación. Los que hemos visto en esa anotación son invertebrados de diferentes filos. Pero también se han estudiado algunas especies de vertebrados en busca de respuestas o adaptaciones similares a las observadas en invertebrados. La razón de esa búsqueda es evidente, puesto que si hay vertebrados capaces, de forma natural, de recuperar sus funciones vitales tras haber estado congelados, quizás sea posible congelar células, tejidos, órganos humanos o, incluso, seres humanos completos, para su conservación durante largos periodos de tiempo y su posterior despertar a la vida con la recuperación plena de todas sus funciones. Para alcanzar ese objetivo, sería muy útil conocer los mecanismos de esos animales en detalle, pues de su conocimiento se podrían extraer conclusiones de gran valor.

Entre los vertebrados, tan solo se han encontrado adaptaciones de esa naturaleza en algunos reptiles y anfibios. Ni peces, ni aves, ni mamíferos toleran la congelación, como tampoco la toleran la mayoría de reptiles y anfibios; también en esos grupos esa tolerancia constituye una excepción. Las especies que toleran la congelación viven, como es lógico, en zonas muy frías y para poder sobrevivir no tienen por qué desplazarse a zonas más cálidas cuando llegan los hielos.

En el Viejo Mundo las únicas especies de las que se sabe que toleran la congelación son la salamandra siberiana (Salamandrella keyserlingi) y la lagartija europea (Zootoca vivipara). El resto de vertebrados que recuperan sus funciones tras la congelación se encuentran en las Américas. Se han estudiado tres especies de reptiles, las tres tortugas. Dos de ellas, Terrapene carolina y Terrapene ornata, son las más grandes de las especies que toleran la congelación. Los jóvenes de la tercera tortuga, Chrysemys picta, salen del huevo tras haber sido incubado al calor del sol y permanecen en los alrededores de la zona de puesta a pasar el invierno. A menudo sufren la congelación de más de la mitad de sus fluidos corporales por efecto del intenso frío invernal y, sin embargo, sobreviven casi todos ellos.

Chrysmys picta (imagen: Jmalik)
Chrysmys picta (imagen: Jmalik)

La mayor parte de las investigaciones realizadas en este campo se han centrado en el estudio de los anfibios y se han estudiado, especialmente, cuatro especies de ranas. Se ha observado que en invierno el glicerol puede alcanzar una concentración de hasta el 3% en los fluidos corporales de la rana arbórea Hyla versicolor. Así pues, Hyla recurre a la misma sustancia que utilizan los insectos para protegerse del efecto dañino de los cristales de hielo.

El caso más sorprendente, sin embargo, es el de la rana del bosque, Lithobates sylvaticus (Rana sylvatica), una rana que puede encontrarse en el círculo polar ártico y que puede experimentar la congelación completa de su cuerpo en repetidas ocasiones. Es verdaderamente asombroso observar cómo se congela, deteniéndose la respiración y la circulación sanguínea, y dejando de responder a estímulos. Un 65% de sus líquidos corporales pueden llegar a convertirse en hielo; puede llegar a tener hasta 7 u 8 g de hielo en el celoma y bajo la piel, de manera que el resto de órganos han de sufrir una deshidratación considerable. Tras permanecer durante días o semanas en esa situación, al fundirse el hielo por la elevación de la temperatura, recupera todas sus funciones y en un plazo que varía entre 5 y 14 horas recobra la excitabilidad de los nervios periféricos y las respuestas reflejas.

Las sustancias protectoras que utilizan la rana del bosque son la urea y un azúcar harto conocido, la glucosa; los acumula en sus fluidos para prepararse para la estación fría. Antes de la hibernación llega a acumular concentraciones de glucógeno en el hígado de hasta 180 mg/g. Al parecer, la síntesis de glucosa se inicia en el momento en que la piel entra en contacto con hielo exterior. La glucosa alcanza concentraciones de entre 150 y 300 µmol/g en los órganos principales, hígado, corazón y cerebro. A efectos comparativos, ha de tenerse en cuenta que en ranas en estado normal esas concentraciones se encuentran entre los 1 y 5 µmol/g; esto es, son del orden de 100 veces menores. Además, hay un claro gradiente de concentración de glucosa en el interior del organismo, con valores superiores en el centro e inferiores en los órganos más periféricos; ese gradiente se manifiesta en el hecho de que se descongela antes el interior que la periferia corporal.

En experimentos realizados con esta rana se ha observado que la concentración de glucosa se empieza a elevar 14 días después de que comenzado el descenso en la temperatura ambiental. Por lo visto, y al contrario de lo que ocurre en insectos, estas ranas carecen de agentes nucleadores de hielo (INA) que provoquen la formación de cristales de forma controlada. Parece ser que se valen de su tamaño (grande), para que el proceso de congelación curse de forma gradual y además, no llega a formarse hielo en el interior de las células, gracias a la alta concentración osmótica que hay en el medio intracelular al haberse producido flujo osmótico de agua hacia el exterior de las células.

Se ha investigado mucho en cuestiones relativas a criopreservación, se sigue investigando y se investigará aún más. No sé si se alcanzará el objetivo de criopreservar cuerpos humanos completos algún día, pero si se logra, alguna parte de culpa habrá que echarle a la rana del bosque.

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Nota: Esta historia es una adpatación (casi traducción) de la publicada por mi compañera Miren Bego Urrutia en Uhandreak con el título “Egurreko igelaren izoztu ondorengo berpizte harrigarria”.

Larva de Gynaephora groenlandica
Larva de Gynaephora groenlandica (Foto: Mike Beauregard)

Hay animales que se congelan y permanecen con vida, y no me refiero a animales que toleran eventos de congelación ocasionales, sino congelaciones que tienen relevancia ecológica. A esos animales se les llama, en inglés, freeze tolerant. Los animales freeze tolerant o criotolerantes afrontan periodos de congelación de forma periódica cada año, al llegar el invierno. Un porcentaje significativo de sus fluidos corporales (entre el 50 y el 70% en la mayoría de los casos) permanece congelado durante días o semanas y bajo esas condiciones casi todas las funciones del animal se detienen. Se encuentran en la condición más próxima posible a la muerte. Pero ¿cómo consiguen evitar o limitar los daños que causa el hielo?

Para empezar, el hielo sólo se forma en los líquidos extracelulares. Conforme se van generando cristales fuera de las células, aumenta la concentración de solutos del líquido que permanece en ese estado. En cierto modo, podría decirse que el hielo “secuestra” agua y al quedar los solutos disueltos en un volumen menor, la concentración osmótica resultante es mayor y mayor, a su vez, que la del interior de las células. Como consecuencia de ello, hay un flujo osmótico de agua del interior al exterior de las células, hacia los espacios extracelulares. Así pues, las células sufren una cierta deshidratación y podríamos decir que se “arrugan”, pierden algo de su volumen. Pero esa deshidratación tiene efectos positivos, ya que conlleva una elevación de la concentración de solutos dentro de las células, lo que evita, a su vez, que se formen cristales de hielo en ellas.

Además de lo anterior, los animales que toleran la congelación utilizan sustancias protectoras para mantener a las membranas y orgánulos celulares a salvo de los daños que puede causar el hielo. Esas sustancias suelen ser glicerol o alcoholes polihídricos similares, así como azúcares. El efecto protector del glicerol en procesos de congelación es conocido desde hace tiempo y esa es la razón por la que se utiliza con ese propósito para mantener distintos tipos de células congeladas; es el caso, por ejemplo, del esperma que se almacena congelado para realizar, posteriormente, fecundaciones in vitro.

Otro aspecto reseñable en los eventos de congelación en condiciones naturales es que, en cierto modo, se trata de procesos dirigidos; no ocurren de cualquier forma. Algunos animales utilizan los denominados agentes nucleantes de hielo (ice nucleating agents, INA), sustancias que provocan la aparición de cristales de hielo a su alrededor. Suelen ser proteínas de pequeño tamaño muy hidrofílicas, ricas en ácido glutámico o en el aminoácido glutamina. Esas sustancias parecen “guíar” la formación de hielo o, al menos, determinan en qué parte del organismo y en qué momento se inicia la aparición de los cristales, controlando de esa forma que la congelación curse de forma gradual.

Estas adaptaciones se han observado principalmente en invertebrados, como algunos insectos (en larvas y pupas de coleópteros, dípteros, himenópteros y lepidópteros, y en algunos adultos) y centípedos (todos ellos artrópodos), así como en invertebrados intermareales, principalmente gasterópodos, anélidos y nemátodos. Algunos de los insectos que han sido estudiados en su medio son la avispa parásita Bracon cephi, la oruga del Ártico Gynaephora groenlandica y la larva de la mosca Eurostata solidaginis. En las larvas de avispas del género Bracon que pasan el invierno en los campos helados del Canadá, el glicerol puede alcanzar una concentración de hasta el 25 o 30% en los fluidos corporales, aunque en primavera esa concentración se reduce de forma notable. Por otro lado, se ha observado que las larvas de las poblaciones de Eurostata pueden permanecer congeladas durante doce semanas; empiezan a producir glicerol a partir de medidados de noviembre, y para ello se requiere que hayan transcurrido al menos seis días a temperaturas inferiores a los 5ºC. En estudios realizados en el laboratorio con ejemplares del mismo género se ha comprobado que a la elevación inicial de la concentración de glicerol sigue una subida de la concentración de otra sustancia crioprotectora, el sorbitol. Por lo visto, en estas especies el frío activa la fosforilasa de glucógeno del cuerpo graso, y es la actividad de esa enzima la que desencadena la producción de glicerol y sorbitol a partir de glucógeno. Las orugas del género Gynaephora, por su parte, pueden permanecer congeladas durante diez meses a temperaturas inferiores a -50ºC. El 99’5% de sus 14 años de vida transcurre en fase larvaria, ya que como pupa y adulto no duran más de quince días. Pues bien, durante el 80% de su vida larvaria se encuentran congelados. Tienen una niñez muy prolongada, eso está claro, aunque en gran medida se lo deben al hielo.

Para terminar, hay que decir, no obstante, que este tipo de adaptaciones es relativamente excepcional y que en el mundo animal está mucho más extendido el mecanismo consistente en evitar la congelación.

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Nota: Este texto es una adaptación de “Izozteari aurre egiten”, publicado en lengua vasca por Miren Bego Urrutia en Uhandreak.

trirreme[1]
Olympias (réplica actual de una trirreme ateniense de la Grecia clásica)

Un líquido, al evaporarse, absorbe calor. Por esa razón, cuando se evapora un líquido que se encuentra en una superficie, ésta se enfría. Cada gramo de agua que se evapora requiere cerca de 600 cal, casi seis veces más que el calor que se necesita para elevar ese mismo gramo de agua desde los 0ºC hasta la temperatura de ebullición. Por ello, no es de extrañar que la evaporación sea uno de los mecanismos más eficaces de los que se valen los animales homeotermos, -conocidos vulgarmente como animales de sangre caliente-, para perder calor cuando lo necesitan y el único al que pueden recurrir cuando el ambiente está más caliente que el propio organismo. Me refiero, lógicamente, a los homeotermos terrestres, claro está, porque a los acuáticos, por razones obvias, les está vedada esa posibilidad.

En algunas especies la superficie respiratoria es donde tiene lugar esa evaporación y, por lo tanto, la pérdida de calor por esa vía. En los perros, por ejemplo, la lengua y la superficie del aparato respiratorio cumplen esa función. Mientras corren, o tras haber corrido, es normal que un perro jadee, también cuando hace calor, aunque esté o haya estado quieto. El jadeo, contra lo que pueda parecer, no tiene por objeto respirar; no es es su función principal al menos. Al jadear, el perro renueva rápidamente el aire que hay sobre esas superficies y, de esa forma, facilita o intensifica la evaporación de agua en las mismas. Esa es la función principal de los movimientos de jadeo.

Otros mamíferos también recurren a la evaporación como mecanismo para disipar calor, pero en vez de valerse de la evaporación del agua de las superficies respiratorias, recurren a la sudoración. Nosotros, los seres humanos, somos un ejemplo claro de ese comportamiento y de hecho, llegamos a perder grandes volúmenes de agua de esa forma cuando necesitamos disipar mucho calor. Un jugador de futbol, por ejemplo, puede perder hasta un 4% de su masa corporal en forma de sudor a lo largo de un partido, y eso que suelen ingerir cierto volumen de agua (en forma de líquidos isotónicos) en el vestuario durante el descanso y cada vez que tienen ocasión cuando se detiene el juego. Y puede ser bastante más lo que llegan a perder los deportistas que participan en pruebas de resistencia de larga duración.

Hablando de sudor, me ha parecido de interés un pasaje de “El Mundo Clásico”, del historiador británico Sir Robin Lane Fox (Editorial Crítica, 2007, 825 pp.; traducción de “The Classical World. An Epic History of Greece and Rome”, Penguin Books, 2005). Se refiere a la Atenas clásica, cuando era la cabeza del imperio ultramarino que llegó a ser en la Antigüedad. Cito literalmente:

“Para el “imperio insular” lo importante era la trirreme. Así pues, durante muchos años sería habitual la presencia en el mar de flotas de cien navíos o más. Aunque parte de sus remeros eran extranjeros asalariados, el grueso estaba compuesto por atenienses de clase humilde que habían acumulado más años de experiencia que cualquier posible enemigo. En las expediciones que se emprendían en pleno verano, esos remeros mostraban una resistencia muy superior a cualquier individuo de nuestros tiempos. En una recreación de este tipo de naves realizada recientemente, los remeros tenían que ingerir un litro de agua por cada hora de trabajo al remo (los remeros actuales de una trirreme habrían necesitado por tanto casi dos mil litros de agua para una jornada de trabajo de diez horas, mientras que una trirreme antigua no podía transportar grandes provisiones de agua). “Casi toda el agua consumida”, cuentan los modernos recreadores de la trirreme, “era eliminada a través del sudor, y los remeros apenas sentían la necesidad de orinar. Buena parte de ese sudor caía goteando sobre los hombres que ocupaban la hilera inferior, lo que resultaba verdaderamente desagradable para ellos. El mal olor de la bodega era tan penetrante, que debía fregarse con agua salada al menos una vez cada cuatro días (aunque los antiguos atenienses probablemente fueran más tolerantes)”. Para mantenerse fresco el cuerpo debe evaporar fluidos, de modo que “la ventilación se hace absolutamente necesaria, pero rara vez resulta suficiente para para la inferior de las tres hileras” (los entrecomillados, tomados de J.S.Morrison, J.F.Coates y N.B.Rankov, 2000, “The Athenian Trireme”, 238 pp.)

Sobran comentarios.

Topo (Imagen: National Science Foundation; Autor: Kenneth Catania, Vanderbilt University)
Topo (Imagen: National Science Foundation;Autor: Kenneth Catania, Vanderbilt University)

Seguimos con los topos. Como expliqué en la anotación anterior, en las huras y cavidades en que viven algunas especies de mamíferos hay muy poco oxígeno, porque el aire se renueva muy lentamente y además, por su tamaño y modo de vida, tienen tasas metabólicas bastante altas. Es por eso que, comparados con mamíferos similares con otros modos de vida, los topos tienen más hemoglobina en la sangre y esa hemoglobina tiene más afinidad por el oxígeno.

Pero resulta que la escasez de oxígeno no es el único problema que deben afrontar estos animales; además de poco oxígeno, la atmósfera en la que pasan la mayor parte del tiempo tiene una alta concentración de CO2, -de hasta un 6% incluso-, y eso es un problema, distinto del anterior, pero un problema. La razón de ello tiene que ver con cómo funciona un mecanismo respiratorio básico. Empezaré por explicar, brevemente, ese mecanismo.

Todo el mundo sabe que los movimientos respiratorios son automáticos. Esto es, aunque se puede modificar a voluntad la frecuencia respiratoria en alguna medida, no se puede dejar de respirar, ni tampoco hacerlo lentamente si el cuerpo necesita que se haga rápidamente. Pues bien, una de las señales que hacen que un animal respire más rápidamente es la concentración de CO2 en la sangre. Cuando ésta sube, la elevación es detectada por sensores (quimiorreceptores) internos que desencadenan una respuesta que consiste en un aumento de la frecuencia respiratoria y de la frecuencia cardíaca. Es lógico, un subida de la concentración de CO2 en la sangre, aparte de provocar una peligrosa acidificación de la misma (porque reacciona con el agua para dar ácido carbónico y bicarbonato), es señal de que el organismo está catabolizando rápidamente sustratos carbonados y por lo tanto, de que se necesita incorporar más oxígeno y eliminar los productos resultantes de tal actividad. Y para ello, la respuesta lógica es ventilar más los pulmones y bombear más sangre.

Pero, ¿qué ocurre si la atmósfera en la que se respira tiene demasiado CO2? Pues ocurre que el paso de CO2 de la sangre a la cavidad pulmonar se obstaculiza, porque la transferencia de un gas de un compartimento a otro es proporcional a la diferencia de presión parcial entre los dos compartimentos; por ello, si hay mucho CO2 en la cavidad pulmonar, se transferirá más lentamente desde la sangre por esa razón, y esto no hace sino iniciar un círculo vicioso muy peligroso, porque el corazón no dejaría de aumentar su frecuencia de latido.

Por todo lo anterior, los animales que viven en este tipo de enclaves no son tan sensibles al CO2 sanguíneo como lo son el resto; una elevación en la concentración de CO2 no da lugar a la misma respuesta cardíaca y respiratoria que ocurre en otros mamíferos. Y además, algunos de ellos han desarrollado vías alternativas a la respiratoria para expulsar el CO2: de hecho, en vez de eliminarlo en forma de gas lo excretan en forma de carbonatos o bicarbonatos de calcio y de manganeso.

Se trata de una adaptación verdaderamente notable, pues constituye una curiosa, -y yo diría que asombrosa-, excepción al normal funcionamiento respiratorio de los mamíferos.

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Nota: Gracias al comentario de Daniel, me doy cuenta de un error que he corregido. Se refiere a la consideración de los topos como roedores; no lo son, porque no son Rodentia, sino Soricomorpha, un orden diferente. La confusión viene de que los topillos, que también excavan bajo tierra, sí son roedores. A los efectos de esta y la siguiente anotación, lo importante es el modo de vida.