El Cedazo

Todo el mundo sabe que muchas especies animales se mueven por nuestro planeta como por el pasillo de su casa. La necesidad, y su historia evolutiva, les obliga a grandes desplazamientos desde un punto a otro del orbe. Actividad que realizan con asombrosa puntualidad y exactitud, año tras año. O incluso, sin esperar tanto, lo hacen en cualquier momento, como la paloma mensajera o el perro alejado de su “manada” humana. Uno vuelve a su palomar, el otro al hogar de su familia. En este contexto, no me resisto a dejar de compartir una singular experiencia que viví en primera persona.

Típica formación en V de gansos en plena migración. Fuente: Wiki Commons

Hubo una temporada en que la mascota de mis hijos fueron los patos, animales que necesitan su propio y particular hábitat difícilmente reproducible en una vivienda urbana. Efectivamente, con los calores veraniegos los animales se estresaban, ya que necesitaban un ambiente con abundante agua. Llegado este momento los trasladábamos a algún estanque de un parque cercano a nuestra vivienda. Un año le tocó a “Juanito”, así le llamábamos, que fue solícitamente devuelto a la naturaleza a unos cinco kilómetros de casa. Sorprendentemente, a los pocos días le vi que volvía ¡andando! por nuestra calle, de vuelta a su hogar. Puedo llegar a entender su querencia, pero ¿cómo lograría orientarse a través de un circuito prácticamente urbano en su totalidad? Sin referencias visuales, ya que le habíamos llevado al estanque en un coche. No recuerdo si Juanito había nacido en casa o nos lo habían regalado… De cualquier forma ¡sorprendente!

Es un caso muy particular. La habilidad está muy generalizada: la encontramos hasta en algunos seres unicelulares, como las bacterias Aquaspirillum magnetotacticum; en insectos como la hormiga negra migrante brasileña Pachycondyla marginata con sus antenas rellenas de partículas magnetorreceptoras o la mariposa monarca (Danaus plexippus) que desde Canadá migra a Méjico y vuelta, apareándose y teniendo descendencia por el camino, siendo así que las que llegan no son las que partieron. También la vemos en peces como los salmones reales, Oncorhynchus tshawytscha, que después de un año de libre vida marina vuelven a sus puntos de nacimiento para desovar utilizando la información que les llega del campo magnético terrestre, con la que localizan la posición aproximada de su río natal, para luego afinar al entrar en juego el olfato. Lo mismo observamos en un buen número de especies de aves que cambian su habitación dependiendo de las condiciones meteorológicas estacionales, desplazándose miles de kilómetros, como así lo hace el petirrojo europeo, Erithacus rubecula, que vuela entre el norte de Europa y el noroeste de África. El nórdico caribú (Rangifer tarandus), el africano ñu (Connochaetes) o la oceánica ballena austral (Eubalaena australis) nos dicen que también la migración es patrimonio de los mamíferos. ¿Cómo consiguen los animales volver a un punto geográfico determinado y característico para ellos? ¿Cómo se dispara el impulso de iniciar la emigración? ¿Cómo saben las coordenadas a las que llegar y correlacionarlas con las suyas particulares en cada momento? Son preguntas aún sin claras respuestas, aunque los estudiosos del tema algo saben.

En esta entrada nos vamos a centrar exclusivamente en un aspecto muy parcial del tema. Cuando supe de él me sorprendió por lo curioso del asunto y lo poco habitual de su divulgación, creo yo.^[1] Tengo que reconocer que lo que voy a contar es aún un “posible”, una hipótesis de herramienta biológica para la orientación animal, de la que hay que decir que, aunque su rastreo científico (muy abundante) hasta la fecha va en buena línea, el círculo explicativo teórico aún no está completamente cerrado, lo mismo que sucede también con otras hipótesis acerca de la emigración animal. Lo específico del tema es que la idea mezcla la biología con la física a nivel cuántico.^[2]  Me diréis que ¡vaya obviedad!, la biología, como cualquier entorno físico, a nivel atómico se sustenta en la cuántica. Sí señor, así es, pero en ese caso observaremos un tema muy concreto y en absoluto generalista.

Ya hemos comentado cómo los peces migrantes se orientan en gran medida gracias a su olfato y también gracias a su sentido de magnetocepción, que es la capacidad que tienen algunos seres vivos de detectar la dirección y el sentido del campo magnético terrestre. Es decir, al igual que un marino o un simple excursionista se manejan por el mundo usando mapa y brújula, los animales también tienen las prestaciones de esta última. Ya sabemos que la brújula es un aparatito con una aguja imantada que se empeña en señalarnos la orientación de los polos en cualquier punto geográfico que nos encontremos. Para el que no tenga la idea clara, la Tierra se comporta como un gran imán generador de un campo magnético. Eso es debido a que parte de su núcleo está compuesto principalmente de hierro y níquel fundidos, formando una masa que se mueve por arrastre inercial del movimiento de giro del planeta y por corrientes convectivas en su interior. Simplificando mucho, estos metales, altamente conductores, llevan asociados un campo eléctrico, y como se mueven -en el fondo resulta un campo eléctrico variable- generan un campo magnético según nos explicó nuestro querido James Clerk Maxwell.^[3] El campo magnético terrestre dibuja sus líneas que parten y convergen sobre uno u otro polo magnético.^[4] Por lo que una brújula de tipo de aguja imantada nos va a decir dónde está el polo norte y donde el polo sur.

Esquema del iman terrestre y la distribución de sus líneas de campo magnético. La superficie del planeta está representada por la línea verde (Imagen de wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Pues bien, los animales aprovechan (más bien, la evolución les ha impreso una pauta genética de funcionamiento) el campo magnético terrestre y las características locales de sus líneas de campo para orientarse en sus desplazamientos. Parece demostrado su aprovechamiento mediante “artilugios” biológicos internos que copiarían a una brújula: haciendo uso de cadenas de cristales ferromagnéticos como la magnetita (Fe₃O₄) o la greigita (Fe₃S₄) que se encuentran en el interior de células conectadas con el cerebro, incluso en neuronas, pueden alinear sus posiciones espaciales con el campo magnético terrestre. Realmente no sabemos muy bien cómo lo hacen, ya que el campo magnético es muy débil como para orientar directamente a estos pequeños imanes, aunque realmente pensamos que sí lo hacen.^[5] Pudiera ser que los cristales de magnetita puedan pasar información del campo geomagnético al sistema nervioso de varias maneras diferentes. Una posibilidad es que tales cristales ejerzan presión sobre ciertos receptores neuronales a medida que las partículas se alinean con el campo. Otra posibilidad es que la rotación de los cristales de magnetita intracelular, al colocarse de acuerdo a las líneas del campo magnético, podría abrir en las neuronas canales iónicos a través de conexiones, mediados por los filamentos del citoesqueleto. Sea como sea sabemos, o lo intuimos, que algo parecido sucede en las palomas, las truchas, las abejas, las hormigas y otros animales. Incluso los humanos tenemos magnetita en nuestro hueso etmoides^[6] aunque no hagamos un uso consciente de ello.

Sin embargo, hay animales que, teniendo claramente desarrollado el sentido de magnetocepción, o bien no precisan para ello saber dónde está el polo norte o el polo sur -lo que elimina la solución tipo brújula magnética-, o bien necesitan de otros estímulos, como la luz, para que dicho “sentido” sea efectivo. ¿Cómo se orientan entonces? ¿Cómo detectan el campo magnético terrestre? ¿Cuál es el artilugio biológico que apoya y complementa su magnetocepción? Diversos experimentos realizados con animales en el laboratorio nos han proporcionado pistas para nuestro propósito: pudiera ser que en el mundo animal real la luz y el criptocromo, un pigmento fotorreceptor, tengan ambos un papel fundamental en la magnetocepción.

El pigmento fotorreceptor criptocromo^[7] es sensible a la luz, característica que es utilizada por plantas y animales. Nosotros los humanos lo tenemos en la retina, aunque hay insectos que los tienen incluso en las antenas, lo que no nos debe sorprender ya que en estos apéndices se sitúan algunas de sus terminales sensoriales.

Vamos a analizar la imagen de derecha a izquierda. La molécula de flavina, dentro del criptocromo, tiene una orientación particular. La molécula de criptocromo dentro de la retina, dependiendo del punto donde se encuentre, tiene también su particular orientación con relación a la del ojo. Como las moléculas de criptocromo se sitúan por toda la retina, nos podemos imaginar que en cada punto la reacción fisiológica, muy sensible a la orientación de la luz que le llega, podrá ser muy variada y específica del punto concreto de la retina (Imagen del artículo “Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 2, Ilia A. Solov’yov et al., Biophysical Journal, julio 2010, fair use)

¿En que consiste esta sensibilidad a la luz del criptocromo? En este momento no voy a entrar en la explicación física que sustenta el fenómeno, lo que voy a dejar para una futura entrada en el blog. Ahora sólo diré que la luz, la energía de los fotones, modifican la configuración electrónica en el criptocromo, confiriéndole un momento magnético particular que no solamente es muy sensible a campos magnéticos débiles, sino que también lo es al ángulo entre el campo magnético molecular y el terrestre. Lo que parece una buena base para una especie de brújula.

A través de estudios en el laboratorio con aves migratorias se ha podido demostrar que al verse sometidas a campos magnéticos artificiales oscilantes su innata capacidad de geo-orientación podía verse alterada, incluso para frecuencias más débiles que las del campo magnético terrestre. Con la particularidad de que hay una franja pequeña de frecuencias, en el entorno de 1,3 MHz, en el que se magnificaba el efecto.^[8] En otros experimentos los pájaros se veían desorientados cuando se les exponía a campos magnéticos verticales -remarco lo de verticales, lo que indica orientación- en la banda de frecuencias entre 0,1 y 10 MHZ; o a un campo único de 7 MHz superpuesto al campo magnético terrestre. En este último caso el efecto dependía del ángulo entre los dos campos, el de 7MHz y el terrestre -no sólo en el mismo plano (posible brújula magnética), sino que, remarco lo dicho antes, también en un plano vertical-.^[9] Un fenómeno que es consistente con lo que comentábamos en el párrafo anterior. Algo interno en el ave entra en resonancia con la vibración del campo magnético externo, dándole pistas para su orientación.

Es decir, que los animales no sólo “saben” donde está el polo norte o sur, sino que parece que también sacarían provecho del ángulo de inclinación de las líneas del campo magnético terrestre sobre la superficie en el punto geográfico donde se encuentran. Vamos a intentar ampliar la explicación de esta sorprendente habilidad en la siguiente entrada, que denomino como “La prueba“.

1. Es ciertamente mi impresión, pero parece que gustan más otros aspectos de esta interesante materia, como puede ser la orientación geomagnética atendiendo a moléculas orgánicas con minerales de hierro. Vamos, una brújula normal y corriente. [↩]
2. Una apuesta un tanto controvertida. Copio de Wikipedia: “La Biología cuántica es la rama de la Biología que estudia procesos que tienen lugar en seres vivos y que se basan en efectos característicos de la mecánica cuántica tales como la superposición de estados, la coherencia cuántica o el efecto túnel. En cierta forma, aunque toda la Biología es implícitamente Química y toda la Química se basa implícitamente en la mecánica cuántica, la biología cuántica se refiere específicamente a la influencia de los fenómenos cuánticos no triviales, en oposición a los llamados fenómenos cuánticos triviales presentes en toda biología por la reducción a la física fundamental” … “En el último capítulo del libro “Quantum Aspects of Life”, titulado “Efectos cuánticos no triviales en Biología: el punto de vista de un físico escéptico”, sus autores, los físicos Howard M. Wiseman y Jens Eisert, diferencian entre efectos cuánticos reales -o al menos plausibles- entre los que destacan excitaciones coherentes de biomoléculas, el efecto túnel cuántico de protones, las fuerzas de van der Waals, las dinámicas ultrarápidas a través de intersecciones cónicas y el túnel cuántico de electrones asistido por fonones como base del sentido del olfato; y otros más exóticos, no probados, y a su juicio implausibles, entre los que destacan el comienzo cuántico de la vida, la computación cuántica en el cerebro, la computación cuántica en la genética y la conciencia cuántica.” [↩]
3. Como muy bien nos lo ha contado Pedro Gómez-Esteban en la serie acerca de las ecuaciones de Maxwell publicadas en el blog El Tamiz. [↩]
4. Los polos magnéticos terrestres se encuentran muy próximos a los polos geográficos -extremos físicos de la esfera terrestre- y no son fijos con el tiempo. Dependiendo de las condiciones del magma del núcleo el polo norte geográfico será vecino del polo norte magnético o del polo sur magnético, y viceversa en el polo geográfico sur. Circunstancia ésta, la del cambio de polaridad del campo magnético terrestre, de la que los científicos han hecho uso, entre otras cosas, para datar geológicamente terrenos. [↩]
5. La energía de un enlace químico suele ser de 10 a 100 veces superior a la energía térmica ambiental. A temperaturas fisiológicas habituales, la energía cinética de las moléculas biológicas es 11 órdenes de magnitud mayor que la energía del campo magnético de la Tierra. La energía con la que una molécula puede interactuar con ese campo puede ser seis órdenes de magnitud menor, o incluso menos, al ruido térmico ambiente. [↩]
6. Este hueso forma parte de la base del cráneo separando nuestras estructuras olfativas sensoriales de las neuronales. Claramente esta magnetita residual es indicio de un individuo común con el resto de las especies que también las tienen, del que ellas y nosotros lo habríamos heredado. A nosotros se nos ha olvidado hacer uso evidente de ello, seguramente porque la capacidad de razonamiento humano ha ideado otros métodos de orientación. [↩]
7. Los criptocromos (del griego κρυπτός, ‘oculto’ y χρώμα, ‘color’) son una clase de flavoproteínas -proteínas que contienen un grupo flavina en la forma FAD o en la forma FMN- que son sensibles a la luz azul. [↩]
8. Ver el artículo de Erik Gauger et al., “Quantum coherence and entanglement in the avian compass”. [↩]
9. Ver el artículo de T.Ritz et al. “Resonance effects indicate a radical-pair mechanismfor avian magnetic compass”, Nature, mayo de 2004. [↩]

The ¡Hablemos de brújulas animales! I. El hecho by , unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.