Directo, como una ameba en un laberinto

Laberinto cerrado (Fuente Red Escolar)

En la mítica leyenda del minotauro, Teseo ata un ovillo a uno de los extremos del laberinto para poder encontrar la salida tras matar al monstruo. Aunque el plan resulta útil, Teseo bien podría haberlo abordado como un problema de topología matemática. En los laberintos cerrados (todos los muros conectados) basta con poner una mano en la pared y comenzar a andar sin quitarla: si todos los muros están conectados al final se alcanza el muro que lleva a la salida. Si el laberinto está simplemente conectado (Puede haber muros sueltos) el problema es igual pero requiere memorizar por donde hemos pasado y si volvemos al mismo sitio basta con pasarse al siguiente muro.

Los animales normalmente usamos intuitivamente un método similar al segundo. Empezamos a recorrer el laberinto hasta que vemos un punto repetido y cambiamos la pauta hasta que vuelva a surgir el problema. Si se dispone de una buena memoria, la siguiente vez que uno se enfrente al laberinto buscará esos nodos (cruces de caminos) conocidos para alcanzar la salida rápidamente. Esto es precisamente  lo que hacen los ratones en los laberintos. Requiere una inteligencia que sólo los vertebrados con un cerebro suficiente desarrollado pueden acometer.

¿Pero que ocurre si añadimos un aliciente? Una voz que nos llama al final del laberinto para una persona o alimento con buen olor para un ratón. Entonces el asunto cambia. Dichos efectos (sonido , olor, etc) se distribuyen en el laberinto de acuerdo con la teoría de la dinámica de fases*. Esto significa que la señal se distribuye en ondas y llega más rápido y concentrada por el camino más corto.  Si seguimos la llamada en función de su volumen, al igual que el ratón sigue a su olfato, podemos acortar considerablemente la búsqueda de la salida.

La incorporación de un factor que indique la salida supone un salto en el tipo de organismos capaces de solucionar el problema. Animales tan simples como las bacterias pueden entonces ser atraídos a la salida por quimiotaxis. La corona de rey del laberinto salta entonces desde los vertebrados a organismos simples como el Plasmodium pseudopodia, una seudo-ameba que se organiza en tubos o prolongaciones (seudópodos) que buscan alimento. Si dejamos a esta ameba en un laberinto comenzará a explorar todos los pasillos de igual forma que Teseo desenredaba el ovillo mientras se adentraba en él. Sin embargo esta ameba va mucho más allá del simple plan del mítico joven griego. Una vez que ha encontrado todas las rutas que le llevan a la salida, pondera la distancia de todas las conexiones eliminando las más largas y dejando un único “cordel” que une la distancia más corta de un punto a otro del laberinto.

Esquema de la solución del laberinto realizada por la pseudoameba. Inicialmente la pseudoameba (amarillo) explora todo el laberinto. Cuando encuentra las zonas con alimento (rojo) destruye las conexiones más largas continuando conectada por el camino más corto (Fuente Wikipedia. CC)

¿Cómo funciona?

Este organismo opera como una computadora que calcula las concentraciones del compuesto en cada nodo (cruce de caminos), eliminando las intersecciones que no difunden compuestos/alimentos  y analizando las que si difunden dichos compuestos mediante ondas contráctiles. Este sistema es similar a tensar dos cuerdas que unen dos puntos por diferentes caminos, una vez tensas las hacemos vibrar en un extremo y observamos la amplitud que llega al otro extremo. La amplitud es inversamente proporcional a la distancia recorrida, así que analizando este valor se puede determinar la ruta más corta a cada nodo y eliminar las rutas más largas. Esto funciona para laberintos más complejos o diferentes estructuras como poliedros donde este organismo siempre alcanza el camino más eficaz que une los puntos que contienen el alimento. Dicha computación está lejos de ser trivial si existen muchos nodos y  requiere una compleja red de información cuyas bases químicas no se conocen con exactitud.

Notas y Referencias:

El artículo original de la seudo-ameba fue publicado como comunicación breve en Nature (Intelligence: Maze-solving by an amoeboid organism. Nakagaki et al. 2000). Curiosamente recibió el premio Ig-Nobel en 2008 (premio a las investigaciones más inusuales o inútiles). De  igual forma que hay premios Nobel incomprensibles, hay Ig-Nobel sacados de la chistera. Esta breve comunicación ha sido citada más de un centenar de veces -¡más quisiera yo que alguno de mis artículos generara tanto diálogo!- y es una análisis muy interesante sobre la inteligencia más primitiva. Dichos conocimientos son útiles para comprender  la física y evolución de la distribución de señales bioquímicas que podría ser indispensable para generar robots/organismos capaces de solucionar problemas de forma eficiente. Hay más información sobre su capacidad de solucionar problemas de topología matemática aquí [EN, Google Scholar] y en este otro artículo “Smart network solutions in an amoeboid organism” de los mismos autores. El propio grupo de Toshiyuki Nakagaki publicó recientemente un report en Science sobre la optimización de conexiones utilizando el mapa de trenes de Tokio que consiguió cierta notoriedad y que demuestra que la computación de estos organismos resuelve problemas de topología altamente complejos. Podéis leer algo más sobre laberintos y matemáticas aquí. Si os gusta la mitología griega podéis echarle un vistazo a la página de la wikipedia sobre Teseo.

Actualización: Si te ha gustado la entrada, puedes menearla aquí.

*Kuramoto, Y. in Chemical Oscillations, Waves and Turbulence (Springer, Berlin, 1984). No he encontrado un buen enlace en la red.

Imágenes: Red Escolar y Wikipedia

Enlaces relacionados:

• Mice & Memory (HHMI)
• ¿Y si las bacterias nos hicieran más felices y listos? (Maikelnai´s blog)
• Entrenando peces: el mito de la memoria de 3 segundos (Ciencia en el XXI)
• Slime as Engineer (BoingBoing)

Los 10 pasos evolutivos más relevantes

La evolución de las especies a lo largo de su historia ha permitido la aparición de cualidades impresionantes a los seres vivos. En este post me gustaría repasar los que creo son los 10 cambios más relevantes que han ocurrido en la historia de la vida en la Tierra desde que aparecieron los primeros seres vivos. Evidentemente estos pasos fueron todos muy graduales y es difícil acotarlos en “un paso”. La lista está ordenada por orden cronológico de aparición partiendo de los primeros seres replicantes cuyas características concretas sólo podemos especular actualmente:

1-La fidelidad en la copia del DNA

Una bacteria actual comete un error en la copia del DNA cada 10E10 generaciones aproximadamente. Este ratio entre mutaciones y fidelidad permite adaptaciones pero limitando acumular grandes errores rápidamente que acabarían con la especie. La principal artífice de esta maravilla evolutiva se llama DNA polimerasa que por si sola es capaz de copiar fielmente varios miles de bases de DNA  antes de cometer un error. Las versiones más avanzadas y que aparecieron más tarde en la evolución de los eucariotas tienen además mecanismos de revisión para minimizar los errores cometidos. Su necesidad para la vida es tal que no existen seres vivos que carezcan de este mecanismo. Sólo algunos virus como el HIV que a cambio utilizan la perfecta maquinaria celular.

2-El flagelo

Flagelo bacteriano

De esperar a que la comida llegue, a ir a p0r ella. Este uno de los cambios principales cambios que supuso el flagelo. Aunque anteriormente las bacterias desarrollaron pequeños filamentos (cilios) que permitían cierto movimiento lo cierto es que estás estaban totalmente sometidas a las fuerzas que gobiernan el movimiento browniano: Imaginad que estáis dentro de una piscina llena de canicas que se propulsan a toda velocidad en todas direcciones. El flagelo suponía además una mejora en la capacidad de colonizar nuevos y lejanos ambientes o de escapar de circunstanrcias adversas. Puedes ver un vídeo sobre la evolución del flagelo aquí donde se postula su aparición a partir de un organulo destinado a la sujeción.

2-El fotoreceptor

Y se hizo la luz. La capacidad de reconocer la luz suponía inicialmente acceso a alimento (la síntesis de muchos compuestos orgánicos es catalizada por la luz) y una guía para el movimiento (define arriba y abajo). Sin embargo este pequeño avance sembraría la semilla para dos futuros mecanismos de gran relevancia: la fotosíntesis y la visión. Los fotoreceptores se basan en pigmentos capaces de excitarse con la luz y de transmitir dicho estado excitado a alguna proteína.

3-La fotosíntesis

¿Quién necesita comida cuando puedes fabricarla? Este es quizás el salto evolutivo más impresionante: la capacidad de producir compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, mucho más abundantes. Estas reacciones requieren de gran energía que los seres vivos obtienen del calor, degradación de otros compuestos orgánicos/ inorgánicos o de la luz. Podéis leer algo más sobre la fotosíntesis en este otro post que escribí. La fotosíntesis no podría ser posible sin los fotoreceptores que además probablemente coevolucionaron con la mejora del flagelo. Ninguno de estos “castillos de naipes” habria aguantado sin la fidelidad en la copia del DNA.

Diez mil

Cada célula de nuestro cuerpo sufre unas diez mil lesiones diarias en su ADN. Es como si cada día modificáramos al azar cinco letras de un tomo de ‘El Quijote’. Al principio, los cambios en este hipotético tomo no afectarían notablemente a su lectura, pero, tras lo que dura una vida, una de cada diez letras del libro estarían modificadas ¡y esto en cada célula de nuestro cuerpo!

Esta amenaza a la supervivencia celular proviene en gran parte por los propios desechos de la célula. Por suerte, estas poseen una maquinaria de reparación preparada para combatir ese incesante bombardeo a nuestra información genética: un sistema de proteínas que repara prácticamente todos los daños en el ADN a una velocidad de vértigo. Sin embargo, algunas lesiones escapan a este sistema de reparación acumulándose con la edad en forma de mutaciones, afectando a largo plazo a la función de cada célula y pudiendo llegar a provocar cáncer.Algunos agentes químicos o físicos pueden variar el número de lesiones en el ADN. Las células de la piel, por ejemplo, pueden sufrir hasta un millón de lesiones diarias ante una exposición sin protección a los rayos ultravioleta del sol. Para una célula preparada para reparar unas diez mil lesiones diarias, encontrarse con más de un millón supone un reto inalcanzable. La luz ultravioleta y otros agentes cancerígenos provocan, por tanto, un exceso de lesiones sin reparar que acumularán más mutaciones en la célula, lo que abre la puerta a la aparición de tumores.

Es una cuestión de probabilidades. Todos somos susceptibles de que nuestros sistemas de protección celular se vean sobrepasados a lo largo de nuestra vida, especialmente al envejecer y acumular estos errores. Pero, como en la lotería, el que más números juega siempre tiene más posibilidades.

Nota: Publiqué este artículo originalmente en el Heraldo de Aragón, podéis leerlo junto a otros artículos  de otros colaboradores en la web del suplemento de ciencia Tercer Milenio.

Si te ha gustado el artículo puedes echar un vistazo a otras colaboraciones en el Heraldo:

¿Quién quiere vivir para siempre?

Nuestros hábitos condicionan cuántos años vamos a vivir

¿Una píldora para vivir más?.

La Fundación Matusalén

Diez mil lesiones al día

Saliendo del agua

Marcando el ADN

Inspira, transpira.

Diagrama del metabolismo celular

A pesar de lo que parece a simple vista el oxígeno que contiene CO2 que exhalamos en la respiración no proviene del que inhalamos. Es el resultado de la degradación de azucares (y otros compuestos) a cadenas de carbono más pequeñas. El oxígeno que inhalamos se utiliza como receptor de electrones provenientes de la cadena respiratoria*. Al interaccionar con protones se convierte en agua que en caso de ser expulsada lo hace por otras vías.

* Es un paso necesario para renovar coenzimas del Ciclo de Krebs y permite la generación de un gradiente de protones que a la postre es la verdadera acumulación de energía celular

Fuente Imagen

Convirtiendo células cancérigenas en neuronas

Los últimos años de la biomedicina han estado marcados por el descubrimiento de los factores que regulan la pluripotencialidad de las células. Factores son capaces de devolver una célula especializada a un estado indiferenciado, el de célula pluripotente, en el que puede convertirse en casi cualquier otro tipo celular. Sin embargo, hace un par de décadas un modesto artículo revolucionó la investigación celular al conseguir justo lo contrario: convertir un tipo de célula tumoral en neuronas.

Cultivo de neuronas (Fuente)

A principios de los 90  se buscaban buenos modelos celulares para estudios neuronales in vitro pero el objetivo no era nada sencillo. Las neuronas son células muy especializadas y sensibles por lo que su producción, cultivo y manipulación a partir de otros tipos celulares era una tarea titánica.

El grupo de la Dra. Virginia Lee abordó este problema utilizando células obtenidas a partir de un tumor de testículo (Teratocarcinoma) de un varón de 22 años.Este tipo celular se divide rápidamente y posee muchas características de las células embrionarias.

Los investigadores decidieron cultivar estas células con un derivado de la vitamina A, el ácido retinoico , que normalmente juega un papel fundamental en el desarrollo embrionario. La adicción de sólo este compuesto se demostró suficiente para convertir estas células tumorales en neuronas motoras perfectamente formadas (y fácilmente manipulables) capaces de entretejer un tejido nervioso entre ellas. Estas neuronas tenían además una ventaja adicional: no eran neuronas obtenidas de ratón u otro modelo animal: eran neuronas humanas.

A los hombres se nos acusa a veces de no estar pensando con la cabeza pero no deja de ser una ironía que las células que más fácilmente pueden convertirse en neuronas provengan de testículos.

Referencias:

Pure, postmitotic, polarized human neurons derived from NTera 2 cells provide a system for expressing exogenous proteins in terminally differentiated neurons. Pleasure SJ, Page C, Lee VM. Journal of Neuroscience 12(5):1802-15. (1992)

Fuente de la imagen: Paul de Koninck Laboratory

¿Quién quiere vivir para siempre?

Este es el título que engloba lo 4 mini-artículos sobre el envejecimiento y la búsqueda de la longevidad que he publicado este lunes en el suplemento de Ciencia (Tercer Milenio) de El Heraldo de Aragón y que podéis encontrar online aquí.

Os dejo un extracto:

En los últimos cien años, la esperanza de vida del mundo occidental prácticamente se ha duplicado gracias a los avances médicos; algunos estudios actuales apuntan a que más de la mitad de las personas nacidas a principios de este siglo [en occidente] vivirán para ver el siguiente.

El descubrimiento de los gérmenes como causantes de muchas enfermedades, los antibióticos, las vacunas o las mejoras en la alimentación han sido algunos de los pilares para este aumento en la esperanza de vida. ¿Se puede ir más lejos?

Leer más (Tercer Milenio)…

Vida ¿sólo hay una?

Uno de los hechos más fascinantes de la vida en nuestro planeta es el origen común de todos los organismos. Se suele decir que la vida tiene que tener un origen pero ¿Por qué no varios orígenes? ¿Por qué la vida no se originó 2 o 3 veces dando lugar a igual número de linajes de seres vivos?

Mi opinión sobre este punto, podría enunciarse con la siguiente hipótesis:

Un tipo de forma de vida, cualesquiera que sean sus bases moleculares, sólo puede originarse a partir de dichas bases cuando no hay otro tipo de vida con la que competir en ese planeta.

Es posible que hacer esta afirmación partiendo sólo de los resultados de nuestro planeta sea arriesgada así que intentaré argumentarla:

Hipotética reacción autocatalítica. (Crédito: L.E Orgel PMID: 15217990)

1.-La aparición de replicantes prebióticos, es decir moléculas o grupos de moléculas con capacidad de replicarse, no puede darse en presencia de vida que utilice las mismas bases (“ladrillos”) moleculares . La razón principal es que los replicantes prebióticos son, por definición, menos eficientes que los organismos vivos a la hora de replicarse. Si no fuera así, y gracias a la selección natural, los replicantes prebióticos “supereficientes” poblarían este planeta y no los organismos vivos. Mi predicción en este punto sería que la vida podría haber intentado (entiéndase lo figurativo del verbo) aparecer en varias ocasiones pero no haber sido capaz de competir con los organismos vivos presentes a la hora de conseguir los recursos que permitan su replicación.

2.-Los organismos vivos producen sustancias que degradan  posibles replicantes prebióticos con similares bases moleculares. Este es un hecho que ocurre en la Tierra pero que creo que puede ser extrapolable. En un mundo prebiótico, la capacidad de degradar a los competidores no sólo permite tomar ventaja sino que es un salto fundamental para convertirse en un organismo vivo. Nuestro planeta está completamente cubierto proteínas que degradan el RNA y otras proteínas. Ningún replicante que carezca de protecciones sólo asumibles por un ser vivo puede protegerse y competir .

3.-La aparición de replicante prebióticos con diferentes bases moleculares, de ser posible -esto sí que da para mucho-, conlleva ciclos biogeoquímicos irremediablemente más lentos que les impedirán competir con la vida establecida. Los ciclos biogeoquímicos se refieren al movimiento de compuestos químicos necesarios para la vida a través de la cadena trófica (todos los organismos, o en este caso replicantes prebióticos). Incluso aunque el replicante tenga diferentes bases moleculares que el organismo vivo de ese planeta van a tener que compartir algún recurso (imaginemos, por ejemplo, el fósforo). En dicha competición la lentitud de los ciclos del replicante (recordemos, más ineficiente) significan una derrota segura a medio-largo plazo. Además la utilización de diferentes bases moleculares no tiene que impedir que el organismo vivo pueda llegar a utilizar -y eliminar- al nuevo replicante. En nustro planeta todos los organismos usan L-aminoácidos pero muchos aprovechan para alguna actividad los D-aminoácidos (L y D se refieren a las dos imagenes especulares de un compuesto, puedes leer sobre este fenomeno, llamado quiralidad aquí). ¿Podrían haber existido replicantes prebióticos basados en los D-aminoácidos que fueron “absorbidos” por nuestro linaje de seres vivos?

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En este siglo se abre la puerta de la búsqueda de vida en nuestro sistema solar. Si tenemos suerte podremos encontrar otros ejemplos con los que ampliar nuestra visión de la vida y poder hacer predicciones con una visión más amplia que la que nos ofrece el ojo de cerradura de nuestro planeta azul. Esperemos que de encontrar vida en otros planetas no acabemos con ella. De momento ya estamos mandando bacterias a Marte sin querer, cuyas consecuencias aun no podemos predecir.

Enlaces relacionados:

• Los microbios terrestres pueden contaminar la búsqueda de vida en Marte (Ciencia Kanija)
• ARN autoreplicante (Francis: the mule news)
• Cronología de la vida en la Tierra (Tall&Cute)
• La hipótesis de vida bacteriana en Marte gana peso (Maikelaniblog)
• Hipótesis del mundo de ARN (Wikipedia)

Si te ha gustado el post, puedes menearlo aquí.

Saliendo del agua

Nota: el artículo fue publicado originalmente el 23 de abril en el suplemento “Tercer milenio” del Heraldo de Aragón. Podéis además ver otros artículos y noticias científicas en la página web de “Tercer Milenio”.

Solemos imaginarnos la evolución animal como una línea en la que los peces emergen del agua, evolucionan a anfibios, luego a reptiles y, finalmente, a mamíferos, con los humanos como postre. Tanto es así que a veces parece que los peces salieran del agua pensando en acabar siendo Charles Darwin oAlbert Einstein. Esta mirada determinista es utilizada por aquellos que creen que un creador guió la selección natural para crear a los seres humanos a partir de organismos primitivos.

La historia de los linajes animales que nos han precedido dista mucho de ser esa línea recta que imaginamos. Por ejemplo la mayoría de los peces actuales y todos los vertebrados terrestres provenimos de un único linaje de peces. Este grupo de peces desarrolló una bolsa cerca de su estómago para, literalmente, comer aire. Estos peces posiblemente se asomarían sobre la superficie del agua a por bocanadas de oxígeno cuando sus branquias no pudieran obtener el suficiente. Curiosamente, una parte de este linaje de peces, que algunos dirían que estaba destinado a abandonar el agua, reutilizó esta bolsa como una cámara de flotación denominada vejiga natatoria.

Esta cámara de aire es precisamente lo que permite a los peces mantenerse estables a una determinada profundidad del agua sin hundirse, una estrategia que también usan los submarinos. Sin duda fue una adaptación muy útil ya que los peces que no poseen esta cámara de aire, como los tiburones y rayas, están condenados a nadar siempre para no hundirse.

Un grupo de ese antiguo linaje de peces desarrolló pulmones a partir de esa bolsa en el estómago. Quizás se adaptaron a vivir en ambientes donde el agua menguaba o empezaron a buscar comida en el exterior. No sabemos qué fue lo que ocurrió pero sí que tuvieron éxito.