Francis en #rosavientos: La brújula interna de la mariposa monarca

Dibujo20160417 monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Cada otoño, millones de mariposas monarca atraviesan Canadá y Estados Unidos, recorriendo miles de kilómetros hasta el centro de México. Para orientarse estos insectos usan una brújula interna, codificada en sus genes, que les permite determinar la dirección suroeste hacia la que deben volar cada año. La brújula combina la posición del Sol en el horizonte y la hora del día. La primera gracias a sus grandes y complejos ojos. La segunda gracias a sus antenas que poseen un reloj interno basado en la expresión rítmica de ciertos genes. La información de ambas fuentes se combina en el cerebro de la mariposa. Además de animales de gran belleza, las monarcas son todo un tesoro biológico que puede inspirar muchas tecnologías futuras.

El artículo es E. Shlizerman, J.Philips-Portillo, D. B. Forger, S. M. Reppert, “Neural Integration Underlying a Time-Compensated Sun Compass in the Migratory Monarch Butterfly,” Cell Reports (14 Apr 2016), doi: 10.1016/j.celrep.2016.03.057; Research Summary (2016).

Más información divulgativa “Descifran el secreto de la brújula interna de la mariposa monarca,” Ciencia, ABC, 14 Apr 2016; Matías S. Zavia, “Por fin entendemos cómo se orientan las mariposas monarca en su larga migración hasta México,” Gizmodo, 15 Apr 2016; también en Victoria Burnett, “Monarch Butterfly Migration Rebounds, Easing Some Fears,” The New York Times, 27 Feb 2016.

Dibujo20160417 information integration monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Las mariposas monarca son famosas por realizar una increíble y hermosa migración. Cada otoño, millones de mariposas atraviesan Estados Unidos y recorren hasta 4.000 km en dirección al centro de México. ¿Ha desvelado la ciencia el secreto de la brújula interna que guía a estas mariposas en su migración? La mariposa monarca (Danaus plexippus) es el único lepidóptero conocido que realiza una migración tan extensa y con tan gran número de ejemplares. Muchas mariposas tienen una vida corta, de hasta 24 días. Sin embargo, algunos ejemplares de mariposas monarca pueden llegar a vivir 9 meses para poder alcanzar México en su migración. Las mariposas nacidas durante el verano nacen y mueren sin realizar ningún viaje. Sólo las nacidas a finales del verano o principios de otoño realizan la migración, haciendo un único viaje de ida y vuelta. La migración invernal la realizan mariposas que son “tataranietas” de las que la realizaron el año anterior. Esta migración, además de hermosa, es asombrosa. Muchas mariposas son capaces de regresar al mismo árbol donde nació su tatarabuela. Gracias a observaciones en campo abierto y a experimentos de laboratorio se sabe desde el año 2002 que las mariposas usan la posición del Sol en el cielo para orientarse. En el viaje de ida hacia México las mariposas viajan hacia el suroeste, por la mañana con el Sol a su izquierda, y por la tarde con el Sol a su derecha. La posición del Sol en el cielo cambia durante el día, y se sabe que las monarcas corrigen su dirección de vuelo en función de la hora del día. Para ello necesitan usar un reloj interno. Desde el año 2009 se sabe que las mariposas tiene un reloj biológico de tipo circadiano en sus antenas. Pero hasta ahora no se sabía cómo el cerebro de estos lepidópteros integra ambos tipos de información, la posición del Sol y la hora del día, para controlar su dirección de vuelo. Esta semana se ha publicado en la revista Cell Reports un estudio de científicos de las universidades de Washington, Michigan y Massachusetts que propone un mecanismo para explicar cómo el cerebro de la monarca recibe y procesa esta información. Sus resultados se ajustan muy bien a las observaciones de las mariposas en condiciones controladas.

Dibujo20160417 buterfly eyes sun position information monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Los ojos compuestos de las mariposas permiten que las mariposas localicen el Sol en su migración. ¿Cómo determinan la posición exacta del Sol en el cielo? Las mariposas monarcas tienen dos grandes ojos compuestos a ambos lados de la cabeza. Estos ojos se parecen a una esfera partida por la mitad en dos hemisferios que permiten una visión de casi 360 grados. Los ojos compuestos están formados por omatidios, unas pequeñas lentes individuales que están formadas por un grupo de células fotorreceptoras capaces de distinguir entre la presencia o ausencia de luz. El Sol corresponde a la fuente más intensa de luz en el cielo. La posición del Sol en el cielo se determina por dos ángulos, el azimut y la elevación. El azimut es el ángulo que forma el Sol y el Norte, y la elevación es la distancia angular vertical que hay entre el Sol y el horizonte. Las mariposas monarcas sólo usan el azimut solar para determinar la dirección de vuelo. Eli Shlizerman, de la Universidad de Washington, y sus colegas propone que el cerebro de la mariposa integra toda la luz que recibe cada uno de los omatidios de sus ojos usando un modelo iluminación difusa. Este modelo sigue la ley del coseno de Lambert y da lugar a una señal que corresponde al coseno del ángulo entre la dirección de incidencia de la luz solar y la dirección perpendicular (normal) al omatidio. La luminancia total se integra en una región del cerebro de la mariposa llamada tubérculo anterior óptico que está conectado con el complejo central donde se realiza el control de la dirección de vuelo. En el modelo matemático desarrollado por Shlizerman y sus colegas la información óptica se reduce a dos neuronas. La suma de todas las señales para todos los omatidios que forman la superficie del hemisferio de cada ojo acaba como entrada de estas dos neuronas y proporciona una buena estimación de la posición del Sol con respecto al ojo.

Dibujo20160417 circadian clock monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Como la posición del Sol cambia durante la duración del día, para determinar la dirección suroeste es necesario usar un reloj biológico interno. Dicho reloj se encuentra en las antenas de las mariposas. ¿Cómo funciona esta reloj biológico? La mayoría de los animales, incluidos los seres humanos, poseemos un reloj interno basado en la expresión rítmica de ciertos genes con un ciclo de 24 horas. Este reloj circadiano se basa en un bucle realimentado que está regulado por ciertas moléculas llamadas factores de transcripción. Este reloj está controlado por un mecanismo sensible a la luz gracias a unas moléculas forreceptoras llamadas criptocromos. En las mariposas, dos factores de transcripción llamados CLOCK (CLK), reloj en inglés, y CYCLE (CYC), ciclo en inglés, controlan la transcripción de tres genes llamados period (per), timeless (tim), y cry2 que se traducen en sendas proteínas PER, TIM, y CRY2, respectivamente. Este reloj circadiano es muy similar al de los humanos y en estos lepidópteros se encuentra en sus dos antenas. La información de la hora del día viaja a través de las neuronas en el cerebro para combinarse con la posición visual del Sol y permitir determinar la dirección del viaje migratorio en una región del cerebro del lepidóptero llamada complejo central. Este región está formada por muchas neuronas, pero Eli Shlizerman, de la Universidad de Washington, y sus colegas han usado un modelo simplificado que usa solo cuatro neuronas. Estas neuronas integran la información de las dos neuronas que codifican la posición del Sol y da lugar a una señal de control para la dirección de vuelo. Shlizerman y sus colegas llaman brújula solar compensada por el tiempo al circuito neuronal que han propuesto para explicar el ajuste de la dirección de su vuelo de las mariposas. Su modelo apunta hacia el suroeste en el viaje hacia México en otoño y hacia el noreste en el viaje de retorno en primavera. Este modelo se ha usado para desarrollar un simulador de vuelo de los mariposas.

Dibujo20160417 Fall migration to the SW direction and spring remigration monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Los científicos han descrito un mecanismo neuronal que permite explicar cómo el cerebro de la mariposa combina la posición del Sol y su reloj interno para determinar la dirección de vuelo. ¿Se han realizado estudios experimentales en el campo para verificar dicho mecanismo? Los científicos de las universidades de Washington, Michigan y Massachusetts autores del nuevo trabajo publicado en la revista Cell Reports han desarrollado un método experimental para medir la dirección de vuelo de una mariposa al aire libre y poder perturbarla de forma arbitraria. El mecanismo cuelga a la mariposa suspendida en el aire desde una varilla que permite que la mariposa vuele de forma libre y reoriente su dirección de vuelo hacia el suroeste en función del Sol sin que le afecte la presencia de la varilla. Los científicos pueden rotar a la mariposa sin hacerle daño y pueden observar como corrige su dirección de vuelo hasta recuperar la dirección suroeste original. Se ha obtenido un buen acuerdo entre los resultados del simulador de vuelo y los datos observacionales. Destaca la presencia de un ángulo separatriz, que cambia de valor en función de la hora del día. En los momentos del día en los que este ángulo es estrecho, cerca de la posición del Sol, una pequeña perturbación de la trayectoria del vuelo de la mariposa causa que gire unos 360º, incluso varias veces, antes de recuperar la dirección suroeste de nuevo. Pero si el ángulo es grande, tras una perturbación de la dirección la mariposa recupera la dirección suroeste de forma rápida y eficiente. La existencia de este ángulo separatriz es uno de los descubrimientos más importantes del nuevo trabajo científico.

Dibujo20160417 separatrix curve monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee

Estudiar el mecanismo de la brújula interna de la mariposa monarca parece muy interesante desde el punto de vista de la ciencia básica. Pero muchas personas se preguntarán si tiene algún tipo de aplicación práctica. El nuevo trabajo es de ciencia básica, pero sugiere que el nuevo mecanismo podría ser útil para el control de vuelo de insectos robóticos. Hoy en día está muy de moda el uso de enjambres de micro- y nano-robots voladores. Su control bioinspirado en la brújula de las mariposas monarcas podría ser muy útil. Pero lo más importante es que podría tener implicaciones en los planes de conservación de esta especie. Los santuarios donde migran las monarcas están considerados reservas de la biosfera y por tanto están protegidos. Pero también es necesario tomar medidas de conservación durante el trayecto migratorio de las mariposas. Para ello conocer los secretos genéticos de su brújula biológica puede ser muy relevante para conocer cómo la contaminación antropogénica puede afectar a estos lepidópteros. Conocer mejor la biología de las mariposas monarca es lo mejor que puede aportar la ciencia para garantizar su conservación. Para lograr que nuestros nietos disfruten de la belleza de sus migraciones.

Dibujo20160417 Experimental setup monarch butterfly compass  faculty washington edu shlizee


3 Comentarios

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Orbatos

Artículo completo e interesante, pero hay un detalle que no tengo claro y es la frase “Muchas mariposas son capaces de regresar al mismo árbol donde nació su tatarabuela.”
¿Como se puede identificar de este modo la línea de esos ejemplares?
Porque entiendo que se debe de identificar un numero significativo de ejemplares que llegan a un árbol en particular (y no se si hay diferencias claras que diferencien un ejemplar de otro) y seguir “la pista” de algún modo para poder saber que la mariposa que llega al cabo de un año es “tataranieta” de la que lo hizo el año anterior.
Y todo esto supongo en un numero que sobrepase el puro azar.

Orbatos

Hombre… sin ser un experto eso es de perogrullo.

Si a mi me quitan los ojos, o me ponen una venda negra desde luego que me pierdo, pero si me pone unas gafas transparentes me apaño estupendamente. Si a cualquier animal le quitas e inutilizas sus órganos sensoriales poco va a hacer el pobre

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