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Modelan el movimiento colectivo del Trichoplax adhaerens, un animal marino carente de sistema nervioso

Evelyn C. Ayala
31/ene/2020

Durante un paseo por cualquier lugar del mundo podría llegar hasta nuestra nariz algún olor a comida y si nos atrae lo suficiente, muy probablemente probaremos la preparación que despertó nuestro apetito. Pero ese proceso en el que nos desplazamos para conseguir alimentos a causa de un estímulo es más complejo para otros seres vivos como el Trichoplax adhaerens.

El investigador del IFUNAM, Rafael Barrio, analizó el comportamiento de este animal marino cuando se desplaza en busca de comida. Lo desarrolló junto con Carolyn Smith y Thomas Reese, del Instituto Nacional de Salud Mental (NIH, Bethesda, Estados Unidos de América), y Tzipe Govesensky, del Instituto de Investigaciones Biomédicas (UNAM).

Los investigadores reportaron los resultados del análisis en abril de este año en el artículo “Movimiento dirigido coherente hacia la comida modelado en Trichoplax, un animal ciliado que carece de sistema nervioso”, en la revista Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America (PNAS).

El Thricoplax adhaerens no tiene sistema nervioso ni músculos y solo seis células. Fuente: PNAS.

Made in la primigenia

El artículo describe al Trichoplax adhaerens como un animal marino en forma de disco sin músculos ni sistema nervioso y con solo seis tipos de células: la epitelial dorsal (superficie superior) y epitelial ventricular (zona más cercana al piso), ambas con un núcleo y un cilio (estructura similar a un pelo).

También está la célula lipofílica con gránulos secretores grandes los cuales a su vez contienen enzimas digestivas, la glandular con pequeños gránulos secretores de péptidos que, de acuerdo con Rafael Barrio, aún se desconocen sus funciones.

Las células fibrosas proporcionan un andamio elástico que mantiene unidas a todas las células y aunque parecen neuronas, no registran actividad eléctrica; y la cristalina con un núcleo desplazado y un cristal de calcita (mineral birrefringente, es decir con dos índices de refracción) que, se piensa funciona como un ojo primitivo para medir distancias con un solo rayo de luz.

“El Trichoplax adhaerens pertenece al phylum Placozoa y está en el límite evolutivo entre la vida unicelular y la multicelular; es el único genus (categoría taxonómica situada entre la familia y la especie) de su phylum”, dijo Barrio en entrevista para Noticias IFUNAM.

Modelo matemático de la trayectoria del Trichoplax adhaerens. Fuente: PNAS.

Un animal primitivo que “huele” su comida

Las células de mayor interés para los investigadores son las epiteliales ventriculares porque es ahí donde se encuentra la mayor cantidad de los cilios que permiten el desplazamiento del animal en el agua, sobre todo cuando busca comida. No se trata de un movimiento propulsado por una especie de remos, sino que camina a través de la tensión superficial del agua. “El Trichoplax adhaerens vive en el fondo del océano y en la superficie que es una interfaz entre aire y agua por donde se arrastra”, asegura Barrio.

Mientras que el ser humano percibe el olor de la comida, lo procesa en el cerebro como una posibilidad de alimento y coordina los movimientos del cuerpo para lograr desplazarse y cubrir su necesidad fisiológica, el Trichoplax adhaerens, que se alimenta de algas marinas, no cuenta con un sistema nervioso que ordene el movimiento de cada una de las 40 mil células monociliadas de su estructura.

De ahí que los investigadores se preguntaran “¿cómo era posible que una serie de células que poseen cilios que laten en direcciones aleatorias producen un movimiento coherente en todo el animal y lo dirige a la comida?”.

La respuesta es que los cilios de aproximadamente una micra (milésima parte de milímetro) de longitud ayudan a que consiga alimentarse a través de dos funciones consecutivas. Primero, guían al Trichoplax adhaerens por quimiotaxis, una reacción frente al estímulo químico que producen las algas marinas. Es decir que, a diferencia del humano que puede encontrar comida a través de los olores que detecta la nariz, este animal consigue alimento cuando las células detectan el aminoácido conocido como glicina.

Luego, los cilios desplazan al animal a través de pequeños latidos que no tienen alguna dirección en particular, sin embargo, el Trichoplax adhaerens se traslada a partir del movimiento colectivo de sus cilios cuando el promedio detectó la glicina que se difunde por el agua a 1.2 micras por segundo desde el punto de origen.

“En principio cada cilio se mueve al azar y poco a poco se acercan a las algas cuando el sensor químico las detecta. Las células están amarradas y no se pueden deslizar unas con otras, o sea que si quiero irme para un lado pues no necesariamente puedo hacerlo si la otra se quiere ir para otro lado. El compromiso cuando todas están pateando al azar es que se muevan al promedio de la velocidad de los cilios vecinos”, explica Barrio.

Esa conducta colectiva de los cilios donde el movimiento del animal es coherente es conocida en la literatura científica como enjambre. Por ejemplo, cuando las abejas o los pájaros vuelan en conjunto, lo hacen de forma tan organizada que parecen un solo organismo. En este caso, cada abeja o pájaro es semejante a un cilio que conduce al Trichoplax adhaerens.

“En el enjambre no hay un sistema organizativo, es una regla mecánica muy simple para no chocar. Con este animal, las células fibrosas conectan a una célula con otra, incluso con las más distantes entonces saben a dónde se están moviendo y surge un movimiento coherente”, asegura el investigador.

Experimento es igual a modelo

Para demostrar que el Trichoplax adhaerens se alimenta gracias a los sensores químicos de sus cilios y para modelar matemáticamente su movimiento colectivo, los investigadores colocaron en el centro de un lecho de agar (una especie de pecera) un grupo de 3 milímetros de microalgas llamadas Rhodamonas Salina y 40 Trichoplax adhaerens.

Treinta y siete de ellos que se encontraban a menos de 5 milímetros de distancia del centroide de algas migraron hacia él y permanecieron ahí durante todo el experimento, excepto uno que luego de alimentarse se alejó.

Al inicio del experimento, 21 de los 37 animales caminaban sobre el lecho de agar o giraban en su lugar y, después de 7.5 horas, 16 de ellos se desplazaron con movimientos serpenteantes hacia las algas.

Los investigadores eligieron aleatoriamente a nueve animales y rastrearon sus trayectorias mientras migraron hacia las algas y encontraron que seis de ellos tuvieron un cambio de comportamiento. Al inicio y mientras el grupo de algas fue distante, las trayectorias de los Trichoplax adhaerens fueron serpenteantes y frecuentemente cambiaron de dirección, pero en cuanto el animal se encontró más cerca del alimento sus segmentos de arrastre fueron más grandes.

Finalmente, cuando los animales llegaron al grupo de algas, comenzó un proceso conocido como endocitosis en el que la célula lipofílica secreta enzimas digestivas para lograr el procesamiento de las algas. “La membrana de la célula hace un huequito y chupa el líquido que tiene el alimento y forma una vacuola digestiva que es como una burbujita que va penetrando el nutriente en el citoplasma de la célula, y así es como comen las células en general”, asegura Barrio.

Las trayectorias de los seis animales fueron modeladas computacionalmente y registradas con colores diferentes; asimismo, los segmentos de las trayectorias se graficaron en el eje X en intervalos de dos milímetros y en el Y, cada cincuenta minutos. En el modelo, los investigadores también incluyeron la posibilidad de que los movimientos originados por las células epiteliales del Trichoplax adhaerens estén restringidos por sus uniones con células vecinas y por las fuerzas elásticas que surgen de ellas.

Esto quiere decir que, aunque los cilios se estimulan a partir de un gradiente quimioatrayente, no dependen exclusivamente del mecanismo quimiotáctico sino también del comportamiento del resto de las células. El modelo de los investigadores predijo que, en ausencia de cualquier señal quimiotáctica, el animal también podría adquirir un movimiento coherente, pero sin dirigirse a algún objetivo en particular.

“El modelo es la segunda ley de Newton: fuerza es igual a masa por aceleración, o sea que la aceleración es la fuerza del cambio de la velocidad con respecto al tiempo; y la velocidad es el cambio de la posición con respecto al tiempo. En la velocidad calculamos tres componentes: la autopropulsión al azar de los cilios, las fuerzas elásticas y la quimiotaxia”, explica Barrio.

Cuando los investigadores compararon cuantitativamente las trayectorias que siguen los animales del experimento y del modelo notaron que son muy parecidos. Aunque el modelo no puede utilizarse para analizar el movimiento de animales más grandes que sobrepasan la unidad milimétrica debido al incremento de la masa y la falta de propulsión para moverla, Rafael Barrio Paredes y sus colegas consideran que sí puede predecir movimientos coherentes en otros animales pluricelulares como metazoos muy complejos con células coordinadas y tareas específicas para cumplir con diferentes funciones vitales como la alimentación.

No hay duda que el Trichoplax adhaerens es un sistema complejo que requiere el estudio de diferentes disciplinas, incluida la física y las neurociencias, porque se trata de un animal carente de un sistema nervioso encargado del movimiento de sus cilios, sobre todo cuando busca alimento, pero que se comporta como si lo tuviera.