El Cedazo

Terminábamos la entrada anterior, que nominaba como “El hecho“, diciendo que los animales no sólo “pueden saber” 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. Esta inclinación varía según la latitud, ya que las líneas son perpendiculares a la superficie terrestre en los polos y paralelas a la superficie terrestre en el ecuador. Podéis imaginar que a medida que descendemos de latitud el ángulo con respecto al plano del suelo va variando de 90º a 0º. Si en nuestro desplazamiento somos capaces de saber cómo varía esta inclinación, sabremos en qué dirección se encuentra el polo magnético más próximo, indistintamente de si se trata del norte o del sur (esta particular información no la necesitamos para orientarnos). Es decir, que los animales, además de poseer una brújula clásica “magnética”, deben tener otro tipo de brújula que intuimos “química” y que solventaría el problema de la magnética, ya mencionado en la entrada anterior, cuando nos planteábamos la pregunta de cómo podía ser que un campo magnético tan débil como el terrestre pudiera influir en procesos de la fisiología animal.^[1]

Líneas del campo magnético terrestre (Imagen de la red, fair use)

Aquí entra la física cuántica aplicada y el especial momento magnético -asimilable a un imán- que la luz condiciona en las molécula de criptocromo de nuestros ojos. La particular arquitectura esférica de la retina, en donde el fotorreceptor criptocromo^[2] está instalado a lo largo y ancho de toda ella -lo que dibuja un abanico de orientaciones- permite asegurar una rica variedad en la orientación espacial de esos sensores luminosos. 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 los vectores del campo magnético intrínseco a la molécula y el terrestre. Ahora no voy a avanzar más en la explicación física de detalle, que dejo para la siguiente entrada: aún estamos en el momento de “La prueba“, como encabezo el escrito de hoy.

Podemos pensar que el ojo de la imagen siguiente es el ojo de un pájaro en cuya retina, como ya hemos comentado, se encuentran las células fotorreceptoras que intervienen en el proceso de la visión -conocidos son los conos y los bastones- y en su interior las moléculas sensibles a la luz -la rodopsina o el criptocromo-.^[3] La imagen nos propone dos posibles localizaciones de la última molécula en esta estructura retinaria: bien entre dos discos de la cabeza de los bastones, bien en el interior de la membrana de estos discos. De cualquier forma una disposición típica que se repetirá por toda la retina, lo que crea aquel rico abanico de orientaciones en las moléculas del criptocromo del que hablábamos en el párrafo anterior. Especial disposición que necesitamos para que en cada punto retiniano se produzca una respuesta distinta cuando le llegue la luz, ya que en cada uno de esos puntos la molécula de criptocromo va a estar orientada de diferente manera con respecto a la inclinación del campo magnético terrestre externo, cuyo vector presenta una orientación única en cada punto concreto de la superficie del planeta.

Ilustración esquemática del ojo de un pájaro y algunas de sus componentes más importantes a efectos de fijar una brújula “química” (Imagen a partir de la publicación “Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 1, Ilia A. Solv’yov, Biophysical Journal, julio 2010, fair use)

La posibilidad de que exista esta correlación entre luz y campo magnético es lo que querían investigar el biofísico Torsten Ritz y sus colaboradores^[4] en un estudio en el que no sólo demuestra teóricamente que los campos magnéticos con intensidades del orden del geomagnético, e incluso más débiles, pueden producir reacciones biológicas, sino también que éstas son significativamente diferentes según sea la alineación del campo magnético con respecto a la molécula excitada por la luz, como pueda ser el criptocromo: ¿podrían estas diferentes respuestas ser similares a las que generan las rodopsinas en la retina ante un estímulo luminoso y que son el primer paso de la percepción visual? ¿De alguna manera se “ve” el campo geomagnético?

Para ello partieron de un modelo de ojo teórico, que podemos ver en la figura siguiente, con una pupila puntual y una retina esférica en la que los receptores de la luz se encuentran dispuestos aleatoriamente de forma perpendicular a la membrana. Esta característica facilita la idea base mencionada más arriba de que todo pueda depender de algún tipo de alineación física con el campo magnético. En cualquier punto geográfico, con una determinada latitud, el campo geomagnético tiene una inclinación particular definida por las flechas B. Eso va a hacer que dos rayos de luz, 1 y 2, al incidir sobre la retina en puntos diferentes, generarán en los correspondientes cromóforos pares de radicales^[5] con una orientación propia y “preferente” con respecto a la curvatura de la retina.^[6] Por tanto cada uno, al seguir la curvatura de la retina, presentará una inclinación propia y distinta con respecto al campo magnético terrestre B, que también variará según sea la orientación de la cabeza definida por la línea del eje visual O’OC. Lo que quiere decir que a lo largo y ancho de la esfera ocular se producirá una modulación en la sensibilización de los receptores de luz en el ojo, modulación que dará como resultado un patrón variable de respuesta biológica en los receptores de luz del ojo.

Modelo de ojo utilizado para el cálculo de patrones de modulación visual. Los rayos 1 y 2 ingresan a través de un agujero infinitesimal en O’ y se proyectan sobre una retina esférica. Se supone que las moléculas receptoras están orientadas de manera normal a la superficie de la retina (direcciones z1 y z2), formando así ángulos diferentes con la dirección del vector de campo magnético B (Imagen de la publicación “A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 5, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

El modelo establece un patrón visual base que consiste en suponer que el ave mira a una pantalla gris uniforme. Según sea la posición teórica del fotorreceptor sobre la retina, éste va a generar una respuesta diferente que se valora en el modelo con un número entero que va de 0 a 255. El cálculo se realiza sobre la base de una ecuación lineal referida al ángulo entre el eje de visión y el del campo magnético. Fijada esa ecuación, el modelo va a suponer una alteración de la dirección del eje de visión con la orientación del campo magnético base para después calcular qué pasa en la modulación de los grises de la pantalla. Evidentemente el algoritmo es algo más complejo, ya que incorpora la influencia de la reacción “cuántica” producida por un campo magnético, lo que a esas alturas de la entrada ya podemos suponer que es la clave de todo el proceso.^[7] El cálculo efectuado por el equipo de Ritz dio como resultado un patrón de grises que correspondía a las diferentes respuestas teóricas en la retina, que los autores suponían se podían transducir a señales nerviosas en el nervio óptico que, tras culminar en la corteza visual del cerebro, generaran allí algún tipo de imagen visual. Aclaran los autores que esto es simplemente una hipótesis cuya validez quedaría supeditada, claro está, a posteriores investigaciones que comprobaran (1) si ese fenómeno es posible fisiológicamente (en principio lo debe ser, ya que en su base replicaría lo que pasa con la luz/rodopsinas, pero en este caso “luz+campo magnético/criptocromo”); (2) cuál pueda ser el camino neurológico hasta el encéfalo y (3) qué zona en él respondería a estos estímulos nerviosos.

Patrones en la modulación de la percepción “visual” por la acción de un campo magnético de 0,5 gauss en un ave que vuela siguiendo diferentes orientaciones con respecto al vector de dicho campo (Imagen modificada de la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 6, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

A pesar de estas últimas incógnitas a resolver, resulta interesante el visualizar los resultados que obtuvo el modelo, que se recogen en la imagen anterior, donde cada cuadrícula simboliza el campo de visión del ave con la modulación de grises salida del cálculo, caso a caso, según sea la orientación del ave con relación a la del campo magnético de 0,5 gauss y en las mismas coordenadas geográficas (la inclinación del campo B es constante y en este ejemplo es de 68º) . Ello se informa en los croquis anexos del vuelo del ave y la dirección del campo B. Estos patrones corresponderían a dos tipos de circunstancias del vuelo: o bien el ave vuela hacia arriba o hacia abajo en el mismo sitio; o bien el ave vuela atravesando diferentes latitudes geográficas donde el campo va variando su inclinación con respecto a la superficie terrestre por lo que, en consecuencia, también lo hará con respecto al eje de vuelo del ave.

El modelo también hizo el análisis para un vuelo paralelo al suelo en un punto geográfico determinado, pero variando su dirección con relación a la particular rosa de los vientos del lugar donde volaba el ave. El resultado fue el siguiente.

Patrones en la modulación de la percepción “visual” de un ave que vuela según diversas orientaciones de la rosa de los vientos en un punto geográfico fijo, lo que fija también la orientación del vector del campo magnético (Imagen modificada de la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, figura 6, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000, fair use)

El estudio de Ritz (2000) es significativo porque posiblemente fue el primero que se abordó buscando una explicación, y una consecuencia biológica concreta a lo que parecía ser la existencia de una especie de brújula química en algunos animales. Después se han llevado a cabo muchos más, como el del biofísico Ilia A. Solov’yov y colegas en 2010 que traigo a colación aquí simplemente por la siguiente composición de imágenes que me parece que entra directamente por la vista.^[8]

(Imagen de la publicación ”Acuity of a Cryptochrome and Vision-Based Magnetoreception System in Birds”, figura 6, Ilia A. Solov’yov et al., julio de 2010, fair use)

Como dicen los mismos autores: “Vista panorámica en Frankfurt am Main, Alemania. La imagen muestra la perspectiva del paisaje registrada desde una altitud de vuelo de pájaro de 200 metros sobre el suelo con las direcciones cardinales indicadas [...] A efectos de claridad de la ilustración mostramos el patrón generado por el campo magnético solo en escala de grises (que reflejaría el patrón percibido si la ruta neuronal de la percepción visual magnética estuviera completamente separada de la ruta neuronal visual normal [nota de jreguart: observad la semejanza con los patrones propuestos en el estudio de Ritz]) y además el mismo patrón agregado a la imagen visual normal que el pájaro ve [lo que sucedería] si la visión magnética y la visión normal utilizasen la misma vía neuronal en la retina. Los patrones se muestran para un pájaro mirando hacia ocho direcciones cardinales (N, NE, E, SE, S, SW, W y NW). El ángulo de inclinación del campo geomagnético es de 66 °, siendo un valor característico de la región.”

Ahora bien, nadie sabe cuál puede ser el camino de la información “visual” magnética; si tiene vías neuronales propias o si las tiene compartidas con las vías de la visión luminosa normal. Algunos estudios^[9] parecen reconocer que el clúster o grupo N,^[10] un conjunto de regiones de la parte anterior del cerebro en las aves canoras migratorias nocturnas, puede estar involucrado en el procesamiento de la información de la brújula magnética mediada por la luz ya que muestra una alta activación de expresión génica dependiente de la actividad durante la visión nocturna. Además, si se desactiva esta zona neural las aves no pueden utilizar ya su brújula magnética para orientarse, aunque sí mantienen algún otro tipo de georientación. Otro estudio de 2007^[11] demuestra que existe una conexión neuronal funcional entre las neuronas retinianas y el clúster N a través del tálamo visual. Si eso es correcto parece que quedaría respaldada la hipótesis de que las aves migratorias usan su sistema visual para percibir la dirección de la brújula de referencia del campo geomagnético y que las aves migratorias realmente “ven” la dirección de la brújula de referencia proporcionada por el campo geomagnético. Quizás la imagen de Frankfurt am Main de más arriba no sea al final tan fantástica como parece.

Imagen de las estructuras cerebrales de un ave migratoria: CtB (ojo), BDA (clúster N) y Gld (núcleo geniculado dorsolateral del tálamo)(Modificada de la publicación: Heyers D, Manns M, Luksch H, Güntürkün O, Mouritsen H (2007) “A Visual Pathway Links Brain Structures Active during Magnetic Compass Orientation in Migratory Birds”, figura 1.A. PLoS ONE 2(9): e937. doi:10.1371/journal.pone.0000937)

Después de lo comentado ya sólo nos queda dar la explicación física al trasfondo de la brújula química de las aves hecha de luz y criptocromo. Nos vamos a zambullir en un mundo cuántico que intentaré hacer lo menos críptico posible. Pero será en dos entradas posteriores que tras la anterior, “El hecho“, y ésta, “La prueba“, subtitularé como “La teoría 1: El par de radicales“ y “La teoría 2: La brújula” .

1. 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. [↩]
2. Los criptocromos (del griego κρυπτό χρώμα, “color oculto”) son una clase de fotorreceptores de luz azul de plantas y animales. Constituyen una familia de flavoproteínas que regulan ciertas respuestas en plantas y animales. [↩]
3. En este blog se publicó una explicación detallada del sentido de la vista en la serie “Los sistemas receptores”, en particular en la entrada 09 “La visión I. Detección”. [↩]
4. Para más detalle ver la siguiente publicación de Biophysical Journal, febrero de 2000, “A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds”, de Thorsten Ritz, Salih Adem y Klaus Schulten. [↩]
5. Un cromóforo es la parte o conjunto de átomos de una molécula responsable de su color. Aunque también se puede definir, y es lo que ahora nos interesa, como una sustancia que tiene electrones capaces de absorber energía de diferentes longitudes de onda electromagnética, dando como resultado la excitación de esos electrones hacia estados de mayor energía. En este contexto pueden producirse pares de radicales, cuya explicación de lo que son y de la física enredada en ellos, como vengo anunciando, daré en las siguientes entradas. [↩]
6. Realmente lo que está orientado de forma “preferente” es el vector del campo magnético molecular. [↩]
7. Para el cálculo de la alteración de la visión s’(θ) se utiliza la siguiente ecuación lineal s’(θ) = 127 + 255 [(Ф(θ) – Ф_med)M]. Donde Ф(θ) es el ratio de generación del producto de la reacción fotoquímica (el que va a producir el efecto “visual”) en un punto de la retina bajo el ángulo θ;  Ф_med es el promedio de los rendimientos Ф(θ) sobre todos los ángulos; y M un factor multiplicador concreto y fijo. La dependencia angular de s’(θ) a menudo está cerca de un patrón cos(2θ), como se muestra en la figura siguiente del texto. Una conclusión que podemos extraer de ello es que el efecto del campo geomagnético será idéntico si el campo (o el par radical) se invierte en 180º. Para más detalle ver  la publicación ”A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds“, Torsten Ritz et al., Biophysical Journal, febrero del 2000. [↩]
8. No obstante todo lo dicho acerca de estas representaciones gráficas, hay estudiosos del tema que las ponen en un contexto crítico, como es el caso del químico Peter John Hore que en su artículo, escrito a medias con el biólogo Henrik Mouritsen, “The radical pair mechanism of magnetoreception” y publicado en Anual Review of Biophysics, julio 2016, afirma: “Se desconoce completamente cómo se procesa la información de las células magnetorreceptoras primarias, por lo que cualquier intento de modelar lo que el ave realmente percibe debe ser necesariamente ingenuo y potencialmente engañoso”. [↩]
9. Como este “Lateralized activation of Cluster N in the brains ofmigratory songbirds”, Miriam Liedvogel et al., European Journal of Neuroscience, 2007; o este otro “Visual but not trigeminal mediation of magnetic compass information in a migratory bird”, Manuela Zapka et al., Nature 2009 . [↩]
10. Los pájaros cantores migratorios nocturnos poseen un grupo compacto de regiones cerebrales altamente activas sólo durante la visión nocturna. Este grupo llamado “grupo N” está ubicado en la superficie dorsal del cerebro y es adyacente a una vía visual conocida. Para más información ver la siguiente publicación “Night-vision brain area in migratory songbirds“, Henrik Ø. Mouritsen et al., PNAS junio 2005. [↩]
11. Este, “A Visual Pathway Links Brain Structures Active during Magnetic Compass Orientation in Migratory Birds”, Dominik Heyers et al., Plos One 2007 [↩]

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