Esas pequeñas y molestas moscas de la fruta no han recibido ningún respeto. Los humanos han tratado a estas pequeñas máquinas voladoras como si estuvieran mejor muertas, rociadas, aplastadas e irradiadas. Hermann J. Muller recibió un premio Nobel en 1946 por bombardear con rayos X a moscas de la fruta Drosophila melanogaster, y descubrió que el bombardeo les producía mutaciones letales. Los científicos han manipulado sus genes para hacer que les crezcan patas de las antenas o cuatro alas, dejándolas indefensas. Y los agricultores preocupados han convencido a los políticos para que rocían insecticida sobre ciudades como Los Ángeles para evitar invasiones de moscas de la fruta. Pero antes de matar a todos estos bichos, valdría la pena examinar más de cerca su diseño.
El tamaño del ojo
Una mosca de la fruta adulta emerge del huevo y la pupa en unas dos semanas. A medida que los ojos se desarrollan en un embrión de mosca de la fruta, se desarrolla un proceso asombroso. Una ola de señales recorre las células madre en el ojo compuesto en ciernes, activando ciertas células progenitoras para que dejen de proliferar y se conviertan en ojos unitarios (omatidios) y enviando señales a otras para que experimenten una muerte celular programada (apoptosis). El resultado es un «órgano de extrema perfección», para usar la frase de Darwin, que no solo es geométricamente hermoso sino funcional para la mosca, y viene en lados izquierdo y derecho iguales, como un par de rubíes.
Navarro et al. publicaron un artículo sobre cómo funciona esto en PLOS Biology. En la misma revista, Marco Milán, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, resumió el artículo, explicando cómo el proceso regulado logra «precisión de tamaño» a medida que el ojo crece. Los controles internos reducen la «asimetría fluctuante» (AF), un desajuste inestable de tamaño y forma. En efecto, las células en crecimiento del ojo ejecutan una ola de diferenciación.
Un nuevo estudio desentraña un mecanismo intrínseco de control del crecimiento en el ojo de la mosca en desarrollo que confiere precisión de tamaño a través de interacciones de retroalimentación entre células en proliferación y diferenciación. Este mecanismo reduce la variabilidad del tamaño de los ojos entre animales y dentro de ellos, contribuyendo así a la simetría entre los ojos contralaterales y teniendo un claro impacto potencial en la funcionalidad del ojo. En el primordio del ojo en crecimiento, una onda de diferenciación se mueve anteriormente, por lo que los progenitores proliferativos ubicados anteriormente a la onda son reclutados como células retinianas diferenciadoras que salen del ciclo celular (Fig. 1). Cuando la onda alcanza la región más anterior del primordio, no quedan progenitores restantes en el tejido y se alcanza el tamaño final del ojo. El movimiento de la onda de diferenciación depende de la actividad de 2 morfógenos [generadores de forma], el homólogo de BMP Dpp y Hedgehog (Hh), que son producidos por células retinianas diferenciadoras que envían señales anteriormente a las células proliferantes cercanas para reclutarlas como nuevas células retinianas diferenciadoras. [Énfasis añadido.]
El equipo de Barcelona lo llama «control de retroalimentación de la precisión del tamaño de los órganos mediado por la apoptosis regulada por BMP2». El resultado es un ojo ovalado geométricamente perfecto con 800 omatidios perfectamente dispuestos como células hexagonales en un panal curvado. La forma curvada le da a la mosca una visibilidad de más de 180 grados en cada lado.
Debe haber mucho más en juego, porque entre cada omatidio crecen cerdas que proporcionan sensación táctil a la mosca, y cada unidad debe estar conectada correctamente a los nervios ópticos que van al cerebro en desarrollo. Es más, los dos ojos deben convertirse en imágenes especulares exactas entre sí para evitar asimetrías fluctuantes para que la mosca pueda navegar con precisión. Los autores creen que un proceso similar controla el desarrollo de las alas para que coincidan. ¡Imagínese a un piloto tratando de maniobrar un avión con un ala más corta que la otra!
Este ejemplo ilustra una asombrosa cantidad de control en un insecto de solo unos pocos milímetros de longitud. Y sólo investigaron esto en un órgano, el sistema visual, mientras que todos los demás sistemas corporales también están en proceso de desarrollo simultáneamente: circulación, digestión, reproducción, músculos, vuelo, sentidos, apéndices articulares y mucho más.
Los autores, Navarro et al., cometen un error lógico en cómo surgieron estos controles:
Tres características deberían haber dado lugar a una fuerte presión evolutiva para maximizar la precisión en el tamaño del ojo: primero, el tamaño afecta la visión directamente, ya que la resolución de la imagen y la sensibilidad al contraste son proporcionales al número de unidades de detección de luz en el ojo; segundo, fabricar y mantener los ojos es energéticamente muy costoso, por lo que existe una presión para adaptar el tamaño del ojo a las necesidades de visión; y tercero, los ojos izquierdo y derecho deben examinar una parte simétrica del espacio, por lo que la asimetría ocular, que podría estar impulsada por el ruido del desarrollo, debería minimizarse.
Un proceso ciego y sin dirección no podría preocuparse por lo que «debería» hacerse y no podría ser presionado para hacer nada. Stephen Crane bromeó una vez: «Un hombre le dijo al universo: «¡Señor, existo!» «Sin embargo», respondió el universo, «el hecho no ha creado en mí un sentido de obligación»». Mucho menos podrían las moléculas saber o preocuparse por la «presión evolutiva». Los autores admiten que están sorprendidos de cómo todas estas partes se unen tan perfectamente:
Los procesos biológicos son intrínsecamente ruidosos y, sin embargo, el resultado del desarrollo (como el tamaño y la forma de los órganos específicos de cada especie) suele ser notablemente preciso. Esta precisión sugiere la existencia de mecanismos de control de retroalimentación que garantizan que se minimicen las desviaciones respecto de un tamaño objetivo.
Vuelo correcto
He aquí otro truco de la mosca de la fruta que apareció en las noticias más recientes. ¿Cómo hacía la mosca de la fruta para hacer un giro brusco? No es ninguna broma. Los giros bruscos no se producen sólo en la mosca de la fruta porque tiene alas, sino que están controlados por neuronas especializadas.
Este mes, Ros et al. publicaron sus hallazgos en Current Biology sobre «Control descendente y regulación de los giros espontáneos en vuelo en Drosophila». En el mismo número, Matthieu Lewis resumió la investigación sobre cómo y por qué las moscas de la fruta hacen zigzags repentinos mientras vuelan.
Al detectar una columna de olor atractiva, la mosca se lanza contra el viento y, cuando pierde la columna, lanza su mosca en dirección transversal, seguida de contragiros. Si bien el control sensorial de los giros y los lanzamientos es compartido por la mayoría de los animales, se sabe poco sobre sus fundamentos neuronales. En un artículo publicado en este número de Current Biology, Ros et al. informan sobre la identificación y caracterización funcional de un par de neuronas descendentes biestables que organizan los lanzamientos durante el comportamiento de vuelo en la mosca Drosophila.
Estas neuronas, explican Ros et al., consisten en «pares de una célula descendente excitadora y otra inhibidora que forman unidades funcionales». Como sucede con muchos sistemas en biología e ingeniería, un acelerador se combina con un freno, lo que proporciona un control preciso con una combinación de sistemas de empuje y tracción que responden a la información del entorno. Unas «unidades de mando» particulares de neuronas descendentes permiten a la mosca de la fruta realizar giros bruscos llamados movimientos sacádicos. «Una serie de neuronas excitadoras e inhibidoras proporciona información a la red de movimientos sacádicos», dicen los autores sobre uno de sus principales hallazgos.
En el sistema nervioso central de los insectos, las neuronas descendentes (ND) constituyen una etapa crítica en la transformación de la información sensorial del cerebro en comandos motores en el cordón nervioso ventral (CNV). La Drosophila posee aproximadamente 650 pares de ND, algunas de las cuales parecen funcionar como neuronas de comando especializadas para comportamientos específicos, como el cortejo, caminar hacia atrás, girar, despegar y aterrizar. Por lo tanto, las ND proporcionan un punto de partida lógico para investigar los circuitos que generan y regulan los movimientos sacádicos del vuelo.
Detengámonos un momento para imaginarnos a esta pequeña criatura de alcance milimétrico que contiene 650 pares de neuronas descendentes, cada una programada para órdenes específicas. Una se activa y la mosca camina hacia atrás. Otra se activa y la mosca se prepara para aterrizar. Otra se activa y la mosca macho corteja a la mosca hembra. Esto suena mucho más asombroso que un dron robótico controlado por ordenador.
Al extirpar una u otra de las neuronas descendentes (ND) implicadas en los movimientos sacádicos, el equipo respaldó su hipótesis de que el par funciona como una unidad generadora de movimientos sacádicos (SGU).
La dinámica de las sacádicas alterada y la distribución temporal después de la ablación respaldan la hipótesis de que cada DN puede producir sacádicas independientemente de la otra, pero con una dinámica diferente a la de las moscas de control. Los resultados respaldan una hipótesis de trabajo de que las dos ND desempeñan funciones complementarias al activar diferentes componentes del circuito motor en el CNV responsable de generar las sacadas. En conjunto, las imágenes funcionales, la activación unilateral y los experimentos de ablación sugieren que dos pares de interneuronas descendentes, DNae014 y DNb01, funcionan juntas como unidades generadoras de sacádicas (UGS) para ejecutar comandos para giros espontáneos durante el vuelo.
Louis da ejemplos de otros animales, desde insectos hasta mamíferos, que utilizan una estrategia similar de «búsqueda de sectores» durante la navegación. Pero ¿por qué una mosca de la fruta necesitaría hacer un giro brusco?
Se cree que los movimientos sacádicos benefician a los animales voladores de varias maneras. Desde una perspectiva sensorial, los movimientos sacádicos pueden restringir los efectos nocivos del desenfoque de movimiento a breves momentos intercalados dentro de secuencias más largas de estabilización de la mirada. Breves ráfagas de movimientos sacádicos en la misma dirección pueden ayudar a la estrategia de búsqueda local al permitir que el animal escanee rápidamente el entorno local en busca de características visuales y olfativas destacadas. Más recientemente, se ha sugerido que comparar las mediciones sensoriales inmediatamente antes y después de cada movimiento sacádico podría permitir a las moscas estimar parámetros clave que de otro modo no serían directamente medibles, como la dirección y la magnitud del viento ambiental. Para todas estas hipótesis, el tiempo entre los movimientos sacádicos es fundamental…
El momento crítico, el control preciso y las estrategias convergentes entre animales no relacionados: estos conceptos desafían la noción fanfarrona de Darwin sobre el poder creativo de la selección natural. En un momento dado, los autores reconocen que esto parece ingeniería.
Los niveles de actividad entre las células DNae014 izquierdas y derechas siguieron una relación inversa, altamente no lineal, análoga a los componentes «bruscos» en los circuitos electrónicos digitales (Figura 1J) y que recuerda a las neuronas identificadas en el comportamiento de dirección de las polillas de seda macho. Además, las células DNb01 hacen sinapsis directamente con las células DNae014 contralaterales. Este es un motivo inhibidor recíproco simple, consistente con una red responsable del giro binario hacia la izquierda o hacia la derecha.
Más por venir
No hemos terminado con el diseño de las moscas de la fruta. La próxima vez, veremos algunos de los aparatos sensoriales dentro de estos pequeños insectos. Si bien las moscas de la fruta son animales de laboratorio convenientes para el estudio, sin duda se pueden encontrar sistemas similares en insectos voladores aún más pequeños, como los mosquitos y los jejenes, todos los cuales, al ser más pesados que el aire, «desarrollaron» el vuelo propulsado y todos sus sistemas relacionados debido a la «presión de selección». No.
Artículo publicado originalmente en inglés por David Coppedge en Evolution News & Science Today
