Mantis marina: el martillo biológico

A lo largo de la evolución animal se han desarrollado diferentes mecanismos de depredación. Algunos de ellos están bien definidos y estudiados, pero muchos otros todavía son terreno virgen para la investigación.

Uno de estos mecanismos es el que ejercen los animales marinos que ingieren moluscos gasterópodos y bivalvos, como caracoles, mejillones y almejas. Normalmente, los animales que dan caza a estos organismos siguen patrones de golpeo con poca intensidad y mucha duración. Entre estos mecanismos podrían destacarse los procesos de compresión de la concha repetidamente o procesos de “peeling” de las capas que componen la concha. Ambos procesos buscan la debilitación de esta estructura externa para llegar al tejido blando e ingerirlo.

Sin embargo, se han descubierto otros mecanismos que funcionan con golpes de alta intensidad en periodos muy cortos de tiempo, como es el caso del martilleo que ejerce Odontodactyllus scyllarus, la mantis marina, contra sus presas.

Este animal utiliza su par de apéndices, terminados en un talón bulboso y redondeado, como potentes martillos que golpean la concha de su presa con gran fuerza y elevada velocidad. 

A su vez, ocurre un curioso efecto gracias a la velocidad del golpe asestado. Se produce la cavitación del agua que se sitúa entre el apéndice que ha golpeado y la concha que ha recibido el impacto. Este efecto hidrodinámico se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, o en este caso por el apéndice de la mantis marina, produciendo una descompresión del fluido (bajas presiones).

El agua que sufre la cavitación pasa de estado liquido a gaseoso en ese momento, produciendo burbujas o “cavidades” que al colapsar emiten gran cantidad de energía, acompañada de ruido, calor y luminiscencia.

En esta fotografía podemos comprobar el efecto de la cavitación en el golpe (flechas):

                   

Para el estudio del novedoso mecanismo y el efecto que ejerce la cavitación en la debilitación de la concha, un equipo de investigación de la universidad de Berkeley ha realizado un estudio en el que se pretendía medir la fuerza del impacto; identificar la presencia y la contribución de la cavitación en la fuerza generada, el tiempo de duración y su efecto acústico.

Para ello se utilizaron sensores de fuerza de forma plana y curvada, pudiendo ser de 1 ó 3 ejes; un hidrófono que medía el efecto acústico del impacto y una cámara de video de alta velocidad, con la que se pudo determinar la velocidad del apéndice. 

El equipo de investigación observó que por cada apéndice que golpeaba surgían dos picos de fuerza, el primero procedente del propio impacto y el segundo por el efecto de la cavitación, solo unos microsegundos después. Si los dos apéndices golpeaban, se producían cuatro picos de fuerza, es decir, dos series simultáneas de las anteriormente citadas.

Estas fuerzas detectadas  tenían valores entre los 400 y 700 Newtons, con máximas de hasta 1500 Newtons, lo que supera miles de veces su peso corporal. Además, cabe destacar la que la fuerza generada por el efecto de la cavitación, normalmente, era la mitad a la  producida por el impacto del apéndice, aunque en algunas ocasiones podía suponer el 280% de la fuerza producida por el miembro.

A su vez, se descubrió que el efecto acústico del mecanismo de golpeo era debido principalmente por los colapsos de las burbujas en el efecto de cavitación.

Este mecanismo descubierto abre algunas incógnitas sin resolver, que pueden ser objeto de estudio para el futuro, como por ejemplo la posible evolución de las conchas de estos moluscos por efecto de la cavitación producida. Otro podría ser la composición de las fibras que  contiene el apéndice de la mantis marina, ya que no sufre desgaste ni por la fuerza ejercida ni por la fuerza emitida en la cavitación. Con el desarrollo de este material podrían fabricarse turbinas y hélices más resistentes.

Para entender el poder de este mecanismo de golpeo os dejo aquí un interesante vídeo.

Un río de información

Richard Dawkins es un zoólogo y etólogo británico, especialmente famoso por su trabajo como divulgador científico. En 1995 publicó un libro titulado “River out of Eden: a Darwinian View of Life”, una reflexión sobre la evolución desde un punto de vista genético, retomando temas anteriormente tratados en su, probablemente, más popular trabajo, “El gen egoísta”.

 

El título del libro está inspirado en el  pasaje 2:10 del Génesis “Y salía de Edén un río para regar el huerto”. Este río, del que trata una importante parte del libro, es un símbolo de la evolución  y diversificación del material genético a lo largo del tiempo. Es un río de información. Con los cuerpos de los organismos como transportadores temporales, en el río de Dawkins, los genes viajan a través del tiempo geológico, transformándose y ramificándose progresivamente, siendo cada uno de los cauces del río una especie distinguida del resto, en el que el agua (los genes) va mezclándose gracias a la recombinación sexual entre la descendencia de cada especie. 

Dawkins comienza el libro con una frase cierta para todos los organismo que hayan existido y existentes “Ninguno, ni uno solo, de nuestros ancestros murió antes de alcanzar la madurez y traer al mundo al menos un descendiente”. Todos los seres vivos pueden sostener que provienen de una línea de antecesores exitosos continua. Según Dawkins, residiendo este éxito en la capacidad de sobrevivir y reproducirse, todos los organismos vivientes han heredado genes buenos, han recibido lo necesario para convertirse ellos también en antecesores exitosos.

Tomando esta idea como base de la reflexión, el libro trata varios temas: habla sobre la madre mitocondrial, desarrolla argumentos ejemplificados para abalar la evolución gradual y acumulativa como explicación de los fenómenos más complejos que podemos presenciar (el baile de las abejas, los ojos o los mecanismos de las orquídeas para atraer polinizadores),…

Hay un capítulo, titulado “God’s utility function”, en el cual se nos introducen dos conceptos. En primer lugar, la ingeniería inversa, que consiste en estudiar el funcionamiento de un aparato, o en este caso, un ser vivo, es decir, un producto final, para comprender sus principios fundamentales y su diseño. En segundo lugar, la función de utilidad (utility function) es aquello que se intenta maximizar o favorecer. Por ejemplo, cuando observamos la política de un gobierno en un país, podemos hacer “ingeniería inversa” para ver que su función de utilidad ha sido, por ejemplo, reducir el desempleo. Cuando hablamos de un animal, por ejemplo un guepardo, viendo sus garras, su capacidad de carrera y agilidad, vemos que su función de utilidad es producir el máximo número de bajas posibles en la población de gacelas.

Visto esto, la pregunta que plantea en este capítulo es: ¿Cuál es la “función de utilidad” de la naturaleza/vida? La supervivencia del DNA. Sin embargo, el material genético está atrapado en los cuerpos de los organismos. Por eso, el DNA atrapado en un guepardo maximizará su supervivencia haciendo que el guepardo mate el máximo número de gacelas posibles. Mientras que el atrapado en la gacela lo hará evitando que éstas sean cazadas. Por eso los árboles son tan altos como son. Lo más rentable desde un punto de vista económico sería que todos fuesen de la misma altura. Sin embargo, la selección del DNA los hace competitivos y crecen unos sobre otros, cada vez más alto. Esto explica también los “concursos de belleza” celebrados por los machos en muchas especies de ave también. Explica que en población  de estructura tipo harén, como el de las focas, en el que tan solo un pequeño porcentaje de los machos abarca todas las copulas de la población, mientras que el resto consumen recursos sin generar descendencia. El titánico ascenso de los salmones para hallar la muerte, o por qué algunos pájaros gastan una cantidad de energía tan peligrosa en cantar para atraer hembras son otros dos ejemplos conocidos. Si la prioridad de la vida fuese el bien de la población, o del individuo en particular, todos esos comportamientos serían eliminados. Pero no es así. La naturaleza es indiferente respecto al sufrimiento o bienestar de los seres vivos. El bien común es solo una consecuencia fortuita (cuando ocurre). Lo único que importa es la transmisión del material genético, su perpetuación. 

Y así es como fluye el río, representación simbólica de esta gran explosión de información en cadena que llamamos vida. O al menos, así lo cuenta Richard Dawkins en su trabajo.

Aprender cómo aprendemos

El aprendizaje, uno de los temas más misteriosos y desconocidos por la comunidad científica, está ahora un poco más iluminado. Una de las preguntas del millón acerca de este tema era ¿participa el córtex en este proceso? Parece que ya tenemos respuesta: sí. O al menos eso parece indicar una de las últimas investigaciones, ya sabemos como es esto de la ciencia.

Para comprobarlo se resaltó la zona a investigar mediante un virus adenoasociado que expresaba el tdTomato. A continuación, se colocó a los ratones en una superficie plana y se les sometió a la siguiente prueba de aprendizaje:

1. un sonido señala el comienzo de la prueba.
2. se le toca con un palo un bigote
3. este deberá beber de un biberón (ante el toque del bigote el ratón recibe la recompensa del agua)

En caso de que no se le toque, no podrá beber del biberón; si lo hace se le castigará con un parón de unos segundos.

Todos los ratones dieron síntomas de aprendizaje tras dos o tres sesiones y llegaron a un nivel de aciertos del 80% tras seis sesiones (considerado nivel experto). Con el número de aciertos también aumentó la velocidad de reacción (los "expertos" bebían en menos tiempo que los "principiantes" tras ser tocados)

Además, los ratones "expertos" movían coordinadamente sus bigotes en busca del palo, a diferencia de los "principiantes", que no lo hacían o lo hacían erraticamente.

El proceso de aprendizaje ya se había dado, ahora lo que había que hacer era relacionarlo con la actividad neuronal mediante los marcadores y las señales de activación que mostrasen. Estos mostraron que efectivamente había un área implicada, aunque era sorprendentemente pequeña. Aumentando la resolución se consiguió relacionar zonas concretas con acciones más concretas como lamer, mover los bigotes...

comparación de neuronas
totales de "principiantes" y  "expertos"

Al analizar las zonas activadas durante el aprendizaje se vio que a medida que ganaban experiencia, aumentaba el número y velocidad de reclutamiento de las neuronas. Este hecho es el que señala directamente al córtex como mediador en el aprendizaje.

[se puede observar la variación en la velocidad de reclutamiento neuronal entre un ratón primerizo (a) y uno experto (b)]

El lenguaje de los animales

¿Quién dijo que los animales parlantes eran sólo cosa de Disney? Resulta que existen. Quizás sea algo chocante, pero los animales se comunican de manera más elaborada de la que podemos pensar, tanto entre ellos como con nosotros. El "como" y el "cuando" es lo que nos acerca Stephen Hart en este libro.

Al contrario de lo que nos parece habitual, no tiene una línea argumental concreta sino que explica por separado maneras de  comunicación en diferentes grupos de animales como pueden ser los cefalópodos, las aves, los cetáceos… haciendo posible la consulta de algunos capítulos sin haber leído previamente los anteriores; aun así se pueden extraer algunas conclusiones generales.

En primer lugar hay una clara diferencia entre animales que viven en comunidad y animales solitarios. Los primeros tienen una comunicación que puede abarcar amplios aspectos de su vida mientras que los últimos tienen una comunicación que muchas veces queda únicamente restringida a la reproducción y selección sexual.

Entre los diferentes tipos de comunicación empleados se pueden encontrar los cinco sentidos que los humanos utilizan habitualmente hasta otros más difíciles de detectar como el sentido eléctrico de los tiburones y la percepción por infrasonidos de las ballenas. 

El libro abarca la comunicación desde la de  los archiconocidos chimpancés hasta la sorprendentemente compleja comunicación entre artrópodos.

A continuación repasaré algunos de los casos tratados por el autor a fin de dar una idea general de la dinámica de la obra

DIALECTOS DE LAS AVES

Una de las grandes distinciones a las que se suele hacer mención entre el hombre y el resto de los animales es la cultura; sin embargo después de este libro no me queda tan claro que seamos los únicos que la tengamos. ¡y es que las aves también tienen “dialectos”!

Un interesante estudio comparó el canto de pinzones criados en cautividad y completo aislamiento con los de pinzones salvajes. El resultado fue que los pinzones en cautividad solo utilizaron el esqueleto del canto (como si fuese la estructura base) completo mientras que los salvajes hicieron el canto completo.

Los dialectos se forman porque los pájaros cantores más jóvenes imitan e incorporan variaciones de canto de adultos circundantes. Es lógico, por tanto, que cuando el hábitat de una especie es muy extenso se produzcan variaciones locales de un mismo canto dando lugar a los mencionados “dialectos”.

La función de estos cantos parece ser meramente reproductiva; el canto tiene dos mensajes: primero, advierten a la hembra de su disponibilidad para aparearse, y segundo,  reafirman su autoridad sobre el territorio.

COMUNICACIÓN CON ANIMALES

A parte de la comunicación entre ellos, también se trata la comunicación entre animales y humanos así como su capacidad para entender el lenguaje. Hablamos, más concretamente, de chimpancés, loros y delfines.

He preferido presentar a estos últimos ya que los casos de los loros y los chimpancés son más conocidos.

Louis M. Herman y sus colaboradores crearon dos tipos de lenguajes para comunicarse con 4 delfines en libertad. El primero consistía en gestos mediante el movimiento de manos y piernas y el otro en sonidos agudos generados por un ordenador. Cada lenguaje constaba de unas 40 palabras: nombres como “canal”, “pelota” y “persona”; construcciones verbales como “ir por debajo” e “ir a buscar”; y complementos como “superficie”, “derecha” e “izquierda”.

Tras un entrenamiento los delfines podían interpretar órdenes entendiendo cada palabra por separado y la variación del significado por el orden de las mismas. Por ejemplo podían distinguir entre “ir a buscar disco izquierda aro derecha” (coge el disco que está a tu izquierda y llévalo al aro de tu derecha) e “ir a buscar disco derecha aro izquierda” (coge el disco que está a tu derecha y llévalo al aro de tu derecha). Además cuando la orden era imposible como “ir a buscar agua persona” el delfín no hacía nada porque no puede llevar el agua a la persona. Esto evidencia la capacidad de los delfines para entender los componentes semánticos y sintácticos del lenguaje.

Uno de los delfines, Akeakamai, ha hecho algo más que responder a un entrenamiento: ha inventado una respuesta lógica. en la piscina había dos palancas disponibles; este delfín aprendió a pulsar una cuando la acción era posible de realizar y otra cuando la acción era imposible (por ejemplo si la orden consiste en mover un aro pero no hay aros en el tanque de agua).

[Akeakamai "hablando" con su entrenador]

Estos son algunos de los casos que se pueden encontrar en el libro, pero hay muchos más, y seguramente otro lector habría mencionado otros. Lo más importante y lo que he querido resaltar es que se trata de un libro muy heterogéneo, que abarca muy diversos grupos de animales. Esta es, sin duda. una introducción muy amena y divulgativa a la etología.