Ojos de animales

Camarón mantis
Pez abisal (Winteria telescopa)

Pez abisal (Dolichopteryx longipes)

Peces abisales (Argyropelecus sp.)


Cada animal construye su propio universo visual con los ojos que posee. Algunos de esos mundos nos resultarían familiares, pero otros nos dejarían completamente desconcertados.

El mundo para los protozoos y gusanos primitivos es una simple gradación de luces y sombras. Sus rudimentarios ojos tienen la función de distinguir la presencia y la dirección de la luz para guiar su movimiento (están estrechamente ligados a las estructuras propulsoras). Para una rana, por ejemplo, el mundo se divide en cosas quietas y cosas en movimiento: una sombra grande en movimiento es un depredador y una sombra pequeña en movimiento es una presa. Una rana puede morir de hambre rodeada de moscas quietas. Para un insecto con ojos compuestos, el mundo puede ser una multiplicación mareante de imágenes que se suceden a toda velocidad, lo que permite ver con nitidez objetos en movimiento rápido. Las aves ven un mundo mucho más rico y extraño que el nuestro: perciben pequeños detalles a gran distancia, y sobre todo, son capaces de detectar una gama de frecuencias de las ondas luminosas más ancha que nosotros. La mayoría de los mamíferos tienen dos tipos de receptores para el color, aunque los primates poseemos una visión de los colores más refinada, ya que tenemos tres tipos de receptores. Las aves tienen cuatro tipos de receptores. Por ello, pueden adentrarse en el reino desconocido del ultravioleta. Probablemente perciben las ondas ultravioletas como un nuevo color, que ni siquiera podemos imaginar.

Los ojos son estructuras muy variadas en el mundo animal. Todos comparten una célula fotorreceptora, con un pigmento sensible a los fotones (en todos los animales es la proteína opsina, que encierra en su interior el retinal, un derivado de la vitamina A, que traduce la señal lumínica a otra eléctrica); y una célula pigmentaria, que protege a la anterior de un exceso de luz y permite establecer la dirección de la radiación. Las células receptoras de nuestros ojos son tan sensibles que a veces pueden disparar una respuesta nerviosa hacia el cerebro al recibir un solo fotón. Las células fotorreceptoras aumentan su superficie para detectar luces débiles por medio de invaginaciones ciliares o microvellosidades. Las células receptoras y pigmentarias se han ensamblado en dos patrones básicos: el ojo de cámara (como el de los vertebrados) y los ojos compuestos, que aparecen en muchos artrópodos y en algunos bivalvos. En base a estos patrones genéricos, se ha generado una diversidad estructural impresionante: hay desde simples manchas oculares hasta ojos de cámara con cristalino transparente para ajustar la distancia focal, con espejos, con córneas y otras lentes de enfoque. También hay ojos compuestos con cristalino o espejos coordinados. Muchos ojos pueden ajustar la cantidad de luz que reciben por medio de un diafragma anular y contráctil similar al de las cámaras fotográficas: el iris.

Los ojos de algunos animales les permiten percibir la luz polarizada (formada por fotones cuyos campos eléctricos están todos alineados en la misma dirección). Las abejas usan la luz polarizada del sol para orientarse y algunos calamares de las profundidades la usan para detectar a sus presas gelatinosas, cuyos cuerpos son virtualmente transparentes en el agua. Recientemente se han encontrado animales con un aparato de visión único: los camarones mantis o galeras. Además de ver más colores que nosotros (sus ojos usan 16 pigmentos frente a los 3 nuestros), ver el infrarrojo y el ultravioleta o poseer visión estereoscópica con un sólo ojo, pueden distinguir la luz polarizada circularmente. En la luz ordinaria los campos eléctrico y magnético oscilan en todas las direcciones del espacio que son perpendiculares a la trayectoria. En la luz polarizada linealmente la oscilación se da en un solo plano, mientras que en la luz polarizada circularmente la oscilación gira helicoidalmente a lo largo de la trayectoria, o bien a derechas, o bien a izquierdas. No se conoce a ningún otro animal capaz de distinguir este tipo de luz. Las galeras pueden asociar una recompensa de comida a la luz polarizada circularmente a izquierdas cuando son condicionadas. Pero, al parecer, en el medio natural este tipo de visión está relacionado más bien con el sexo, ya que los machos reflejan con parte de su cutícula luz polarizada circularmente. Las áreas que reflejan luz de este modo son usadas por los machos frecuentemente para los rituales de apareamiento. Éste sería un canal de comunicación secreto, indetectable para los depredadores.

Recientemente se ha anunciado el hallazgo de un ojo muy extraño, tan extraño que es único entre los animales. En la mayoría de los ojos, una lente convergente enfoca la imagen en la retina, pero en un pez abisal, Dolichopteryx longipes, un espejo curvo en el fondo del ojo enfoca la luz hacia una retina lateral. Éste es el principio por el que funcionan los grandes telescopios reflectores, con espejos, de la actualidad, en contraste con los primitivos telescopios refractores, con lentes. Este tipo de ojo proporciona un mejor contraste y supone una ventaja en el oscuro medio en que vive este pez, sólo alumbrado por fogonazos fosforescentes.

Pero los peces abisales, que viven en un entorno donde las luces son muy tenues, han desarrollado otro tipo de ojos muy extraños. Podéis conocerlos en esta entrada del blog de Juan Ignacio Pérez: Ojos tubulares.

Antiguamente, esta diversidad desconcertaba a los biólogos, que suponían que los ojos se habían originado hasta 65 veces independientemente en los distintos grupos animales. Por ejemplo, entre los bivalvos hay ojos con una sola lente o cristalino, ojos con espejo (como los de la almeja del peregrino) e incluso ojos compuestos. Pero últimamente se están acumulando muchas pruebas de que los ojos de todos los animales proceden de un ojo primordial, compuesto por una célula fotorreceptora y una célula pigmentaria. Los platelmintos o gusanos planos presentan todavía un ojo así de simple. La red genética controladora de la formación de ojos es muy similar en una mosca del vinagre y en humanos, a pesar de que el ojo compuesto de una mosca es radicalmente distinto del nuestro. Todos los animales comparten una serie de genes maestros que inducen la formación de los elementos básicos de un ojo. La evolución de los ojos, a lo largo de más de 500 millones de años, ha consistido en el perfeccionamiento y en cambios en la disposición de los componentes fundamentales, así como en el desarrollo de estructuras de enfoque o reflexión. Por cierto, la gran explosión de diversidad animal del Cámbrico estuvo motivada en gran parte por la aparición de una nueva conducta ecológica, la depredación. Esto se traduce también en un perfeccionamiento y diversificación súbita de los tipos de ojos. Otra prueba en favor de que el ojo se originó en un solo linaje a lo largo de la evolución animal es la universalidad de los pigmentos. Además, incluso el ojo simple de los platelmintos es ya lo suficientemente complicado como para hacer improbable su aparición en otro linaje.

Otros elementos del ojo se han originado independientemente en el curso de la evolución animal: el cristalino está formado por distintas proteínas transparentes en los diferentes grupos, y puede estar formado por células muertas (es el caso de los humanos) o consistir en una matriz acelular de proteínas transparentes. El ojo de cámara, por ejemplo, es distinto en moluscos cefalópodos, como el pulpo, donde está muy perfeccionado, y en vertebrados. El de los cefalópodos gana al nuestro en algunos aspectos: las células fotorreceptoras de la retina están situadas por delante de las capas nerviosas y con las moléculas fotorreceptoras dirigidas hacia adelante, todo lo contrario de lo que ocurre en vertebrados. Debido a ello nosotros tenemos un punto ciego (donde el nervio óptico se conecta al ojo) y es fácil que nuestra retina se desprenda. Los tipos de células fotorreceptoras también varían mucho en las distintas estirpes.

Los grandes hitos en la evolución de la detección e interpretación de la luz han sido los siguientes. Lo primero fue la creación de pigmentos fotosensibles que sirvieran para orientar a los organismos hacia lugares con condiciones óptimas. Estos aparecieron casi al tiempo que los organismos más simples, bacterias y arqueas. En algunas algas y protozoos aparecieron ya orgánulos subcelulares oculares hace quizá unos 1.500 millones de años. Los ojos simples aparecieron en los cnidarios hace 700 millones de años, quizá por mediación de fenómenos como la endosimbiosis con otros organismos o la transferencia horizontal de genes (este paso es muy complicado para que se produzca por una o varias mutaciones puntuales). Todos los animales de simetría bilateral comparten un ojo con características básicas universales, por lo que éste aparecería por primera vez en el antecesor común de todos ellos, un acelo, un gusano muy simple. Éste ya poseía hace unos 600 millones de años la proteína Pax6, que es un regulador maestro de las primeras etapas de la formación de los ojos. A partir de ahí se desarrollaron vertiginosamente multitud de innovaciones y perfeccionamientos en los ojos, tanto en su óptica como en su hardware y software.

Introducimos estos términos informáticos porque los ojos evolucionados se parecen más a una cámara digital que a una tradicional. Las capas de células nerviosas de la retina constituyen un potente sistema de filtrado y reelaboración de la información antes de transmitirla al cerebro a través del nervio óptico. Las imágenes son manipuladas por varias redes neuronales de funcionamiento similar al de los programas de retoque fotográfico, que aumentan el contraste, establecen las líneas de los contornos, completan los huecos, crean colores (como el amarillo), rechazan datos innecesarios, etc.

Uno de los animales más raros que existen

Heterocephalus glaber, la rata topo desnuda (o ratón cavador lampiño o ratopín rasurado) de Africa centro-oriental (Etiopía, Kenya y Somalia), es uno de los animales más extravagantes, raros y feos que pueden imaginarse.

Estos animales habitan en galerías a unos 2 metros bajo tierra, en zonas donde existen condiciones extremas de falta de alimentos. La concentración de oxígeno baja a veces en las galerías hasta extremos peligrosos. Son animales desgarbados, casi sin pelo, con una larga cabeza y grandes incisvos para excavar en busca de tubérculos. Sus ojos son pequeños y poco funcionales.

Heterocephalus glaber es el único mamífero eusocial conocido, es decir, que posee una rata reina especializada en la reproducción de la colonia estéril, como ocurre con algunos insectos sociales como las hormigas, termitas y abejas.

"Hormigueros" de roedores

La reina es la única hembra en la colonia que se reproduce y amamanta a las crías, aunque todos colaboran en la alimentación de las crías destetadas. La hembra reproductora crece de tamaño rápidamente tras la muerte de la anterior reina. No suelen producirse peleas entre las hembras por la sucesión, ya que existía una jerarquía previa. La reina dispone de vértebras especializadas que la hacen más larga que el resto de las hembras. La parte inferior de la espina dorsal se alarga tras su primer o segundo embarazo hasta alcanzar un tercio más de longitud que la de las demás. La camada de una reina consta de entre 3 y 12 crías, aunque es capaz de albergar hasta 27 fetos. En una colonia normal, entre uno y tres machos se aparean con la reina mientras el resto de individuos (que oscilan entre 20 y 300, tanto machos como hembras) adquieren la función de trabajadores que cavan túneles y buscan comida, de sirvientes que atienden a la reina y a su progenie y de soldados que defienden los túneles de agresiones de serpientes, zorros, águilas y búhos.

La reina es una tirana que recorre el sistema de galerías comunal espoleando a los perezosos e inhibe la capacidad reproductora de otras hembras por medio de sustancias químicas que emite con su orina. Cuando está próxima a parir, segrega sustancias que hacen que a los machos les crezcan las tetillas y que las hembras se acerquen a las condiciones de procrear, como si todos tuvieran que prepararse para cuidar a las crías.

Se postuló que el peculiar modo de determinación del sexo en abejas y hormigas (los machos nacen de huevos no fecundados y las hembras de huevos fecundados) era muy influyente para que una especie se hiciera social hasta estos extremos. Pero los ejemplos de los ratones cavadores lampiños y las termitas restan importancia a este condicionante, ya que estos animales presentan determinación del sexo basada en la presencia de cromosomas diferenciadores (como en el caso de los humanos).

Lo que sí está claro es que, para que se establezca un sistema tan altruista, es necesario que los individuos de la colonia estén muy estrechamente emparentados. Los hermanos de una familia en la que no haya apareamiento con parientes próximos comparten el 50% de sus genes, pero los hermanos de una colonia de ratones cavadores lampiños suelen compartir hasta el 80 %.

Factores de tipo ambiental son también importantes para explicar la sociedad de estos roedores. El medio en que viven es muy inhóspito, el alimento está disperso y el sustrato es muy duro para cavar. Individuos aislados tendrían pocas posibilidades de sobrevivir. En estas condiciones, es ventajoso compartir tareas y sacrificar la capacidad de reproducción para asegurar la supervivencia de los parientes próximos.

Sangre fría

La temperatura corporal de esta rata topo se mantiene constante, a 30ºC. Para ser un mamífero, se trata de una temperatura corporal extraordinariamente baja; lo que ocurre es que no es en absoluto baja si pensamos que la fuente de calor que la mantiene no es, como en el resto de homeotermos, la actividad metabólica del individuo, sino el calor ambiental de las galerías. Así pues, es un animal ectotermo, pues su fuente de calor es externa, el ambiente, pero es homeotermo porque la temperatura corporal se mantiene constante.

No obstante, en África subsahariana viven otras siete ratas topo y todas ellas regulan su temperatura corporal basándose en la producción endógena de calor. Así pues, no parece que vivir bajo el suelo de las praderas africanas sea suficiente razón para explicar este extraño comportamiento térmico.

Por otro lado, hay otras diferencias entre esas especies de ratas topo, que tienen que ver con la disponibilidad de recursos. Ocurre que las colonias son de mayor tamaño cuanto menor es la disponibilidad de recursos alimenticios, y bajo esas condiciones también es mayor la cooperación entre los miembros. Las ratas topo lampiñas viven en zonas muy pobres. Los suelos en los que excavan son muy áridos y las plantas que viven en esos parajes tienen tubérculos grandes, pero esos tubérculos se hallan muy dispersos.

La rata topo lampiña ha desarrollado un comportamiento y una fisiología que le permiten adaptarse a unas condiciones ambientales extremas. Dado que encontrar un tubérculo es muy difícil, el riesgo de morir de hambre sería muy alto si cada individuo se dedicase a buscar el alimento por su cuenta. Por ello, dado que comparten el alimento que encuentran, la mejor estrategia consiste en formar colonias grandes, puesto que esa es la manera de asegurar, a todos los individuos de la colonia, un suministro de alimento regular, aunque no sea mucho.

Por otra parte, la única forma de que haya numerosos individuos en la colonia es que sean de pequeño tamaño, puesto que no puede ser que muchos sean, además, grandes. Eso, no obstante, tiene el problema de que los animales pequeños tienen una tasa metabólica más alta que los animales grandes, por lo que quizás la ectotermia y la baja temperatura corporal constituyen una adaptación para compensar el mayor gasto metabólico que se deriva del pequeño tamaño de los individuos. En este caso, el tamaño es una espada de doble filo: por un lado, pueden ser numerosos porque son pequeños y eso ayuda a encontrar los tubérculos escasos, pero por el otro, corren el riesgo de gastar en exceso, también por ser pequeños. Así pues, como no pueden renunciar a ser pequeños, a lo que renuncian es a la endotermia, con el importante ahorro energético que ello supone, y eso sí se lo pueden permitir por vivir en un medio térmicamente muy estable y a una temperatura ambiental relativamente alta.

Casi inmortales

Viven muchos años, bastantes más que otros roedores, puesto que, en promedio, alcanzan los 30 años de vida. El hecho de vivir bajo tierra, protegidos de depredadores, se asocia en los animales a una longevidad alta, pero incluso así estos roedores son muy longevos. Y junto a esto, el ratopín rasurado es, al parecer, el único mamífero que no padece cánceres. Esto es muy extraño, porque 30 años es un plazo de tiempo más que suficiente para desarrollar un tumor.

Se desconoce la razón de ese hecho pero, como es normal, ha despertado el interés de los investigadores, puesto que esta especie puede ofrecer claves para encontrar algún mecanismo que sirva para combatir la enfermedad. Hasta hora, los modelos animales más utilizados en estudios sobre cáncer han sido la rata de laboratorio y el ser humano. La rata de laboratorio es una animal pequeño y de corta vida; los seres humanos somos grandes y de larga vida. Pero la rata topo lampiña es pequeña y de larga vida, y puede que en esa combinación esté la clave de la ausencia de tumores cancerosos en esta especie.

Este roedor puede convertirse pronto en uno de los animales más útiles para la medicina. Científicos de la Universidad de Illinois han descubierto que su cerebro empieza a presentar lesiones tras periodos de hipoxia, es decir, de carencia de oxígeno, superiores a los demás mamíferos conocidos. El estudio de esta habilidad puede ser muy interesante para las investigaciones sobre del daño cerebral,

Pero es que además, en un trabajo publicado en PLos Biology, Thomas J. Park y colaboradores demuestran que a pesar de ser muy sensibles al tacto son tolerantes al dolor.

La investigación demuestra que la piel de estos animales no posee Sustancia P, la cual es un neuropéptido presente en la inervación sensorial periférica involucrado en la trasmisión de impulsos dolorosos desde la periferia hasta el sistema nervioso central. En el estudio, los investigadores inyectaron en las patas de las ratas-topos desnudas dos potentes inductores de dolor, ácido y capsaicina, demostrando que los animales no presentaron signos de dolor a esta sustancias.

Concluyen que “la biología del dolor en las ratas-topo desnudas es única entre los animales, y el conocimiento de sus mecanismos puede proveer importantes hallazgos sobre la percepción del dolor “normal” de los mamíferos”. ¿Por qué estos roedores no sienten dolor? ¿Tiene esto algo que ver con su estructura social, en la que un individuo aislado no cuenta mucho y no debe "importar" mucho lo que le pase?

Si este animalucho resulta tener las claves de la longevidad, el cáncer y la lucha contra el dolor, sin duda lo percibiremos como bonito.


Nota: para la elaboración de esta entrada he usado ampliamente partes de otra de Juan Ignacio Pérez: "El mamífero más extraño del mundo", de su excelente blog Animaladas, dedicado a la fisiología de los animales.