Resumen: Cómo la Tierra se adaptó a la vida tiene mucho que ver con la generación de una atmósfera estable de oxígeno. Pero cómo la vida se adaptó a la Tierra a menudo está relacionado con el oxígeno como un veneno. Una nueva investigación sobre el uso de oxígeno por los insectos pone de relieve las novedosas formas en que la vida ha modelado la Tierra y viceversa.






Basado en un informe de la Universidad de California, Irvine

“Las biosferas planetarias son entidades complejas con historias llenas de contingencias, accidentes y suerte”. David Grinspoon. Crédito de la imagen: NASA

Un nuevo trabajo sobre el sistema respiratorio de los insectos puede haber resuelto un misterio que ha intrigado a los fisiólogos durante décadas: por qué los insectos detienen de forma habitual su respiración durante varios minutos seguidos.

A contracorriente de las teorías previas, los investigadores de la Universidad de California en Irvine (UCI) y de la Universidad Humboldt proponen que insectos como saltamontes, polillas, mariposas, algunos tipos de moscas del vinagre, escarabajos y chinches, cierran sus sistemas respiratorios periódicamente para protegerse del exceso de oxígeno, evitando así que se dañen sus tejidos.

Timothy Bradley, profesor de ecología y biología evolutiva de la UCI, y Stefan Hetz, profesor ayudante de fisiología en la Universidad Humboldt, Alemania, informan de sus descubrimientos en la edición del 3 de febrero de Nature.

El sistema respiratorio de insectos está diseñado para acomodarse a las ocasiones en que el insecto está activo. Por ejemplo, un saltamontes es más activo cuando vuela. Cuando el saltamontes está inactivo y descansando, sin embargo, continúa respirando el mismo volumen de oxígeno que cuando volaba. El resultado es un exceso de oxígeno interno que puede causar un daño oxidativo a los tejidos, destrucción de biomaterial debido al exceso de oxígeno. Para proteger sus organismos, los insectos, como los saltamontes, interrumpen la respiración.

Comparación global de las atmósferas de Marte, Venus y la Tierra en relación al contenido de oxígeno, agua y dióxido de carbono. Detectar las huellas de gases es un objetivo para la predicción de biosferas entre los buscadores de planetas extrasolares. Crédito de la imagen: Taller de NASA de Búsqueda de vida en planetas extrasolares, The Blue Dot Workshop

“Nuestra hipótesis es que la mayoría de los insectos detienen su respiración para bajar su concentración de oxígeno interno hasta niveles fisiológicamente seguros, y que luego reducen sustancialmente el intercambio de gases para mantener el oxígeno en estos valores seguros”, indicó Bradley. “Esta hipótesis explica el diseño respiratorio de los insectos para diferentes ambientes en modos que los modelos previos no pueden hacer”.

Dos de estos modelos previos para explicar por qué los insectos salpican su respiración con períodos de cierre son (1) que esta respiración discontinua reduce la pérdida de agua y (2) que permite a los insectos de vida subterránea deshacerse del dióxido de carbono, subproducto de la respiración, cuando estos insectos están bajo el suelo. Es cierto para los excavadores, insectos que, mientras están bajo el suelo, se enfrentan con cantidades altas de dióxido de carbono y bajas de oxígeno, que necesitan un mejor sistema de ventilación. Mientras que el oxígeno es esencial para que las células produzcan energía, la retirada de dióxido de carbono de sus organismos es igualmente importante para prevenir su acumulación tóxica en los tejidos.

“Incluso en nuestro caso, nuestros cuerpos tienen que suministrar oxígeno a los tejidos, pero deben también evitar el exceso de oxígeno para prevenir el daño oxidativo a los tejidos. Este daño está muy relacionado con el envejecimiento. De ahí, quizás, las muchas cremas antioxidantes que inundan el mercado para combatir el envejecimiento. La concentración de oxígeno en el aire que respiramos es tóxica para nosotros. También sabemos que las moscas del vinagre, que han sido muy estudiadas durante décadas, mueren más pronto por envejecimiento en un ambiente rico en oxígeno”.

Los insectos toman el oxígeno a través de espiráculos, tubos conectados a aberturas a los lados de su cuerpo. En su trabajo, los investigadores insertaron tubos finos en los espiráculos de una polilla para medir no sólo cuanto dióxido de carbono expulsaba sino también la concentración de oxígeno en las tráqueas, la serie de tubos que llevan el aire directamente a las células para el intercambio de gases. Usando un respirómetro (un instrumento que mide la respiración que consiste en una cámara con un sistema de circulación de aire), controlaron el modelo respiratorio de la polilla. La cámara, que albergaba a la polilla estudiada, se llenó primero con aire sin dióxido de carbono. Luego, un aparato midió cuándo y cuánto dióxido de carbono producía el insecto.

Cantidades de elementos químicos biológicamente significativos en la Tierra actual, medidos por la nave Mars Express cuando salía de la Tierra hacia Marte. Crédito de la imagen: ESA/Mars Express

Bradley explicó que los insectos mantienen típicamente 4-5 kilopascales de presión de oxígeno en su sistema respiratorio, 4-5 veces más bajo que la concentración normal de oxígeno de la atmósfera. En un ambiente de concentración normal de oxígeno, el insecto respira durante un período de tiempo y expulsa el dióxido de carbono todo junto. Luego cierra su sistema respiratorio, bloqueando la entrada de oxígeno, para mantener la concetración interna de oxígeno en 4-5 kilopascales, la concentración correcta de oxígeno para sus cuerpos. En un ambiente bajo en oxígeno, el insecto abre su sistema respiratorio por períodos más largos de tiempo; cuando cierra el sistema, lo hace durante un breve período de tiempo. En una corriente de aire con alto contenido en oxígeno, por otra parte, el sistema respiratorio se abre brevemente y luego se cierra firmemente durante un largo tiempo. “En otras palabras, los insectos excluyen el oxígeno activamente y lo hacen de un modo que muestra que saben cómo medir el oxígeno”, dijo Bradley. “Su comportamiento indica que regulan el oxígeno”.

Bradley y Hetz seguirán trabajando en desarrollar un modelo integral de la respiración de los insectos. “Nos gustaría conseguir que nuestro modelo actual pudiera explicar todos los aspectos de la respiración de insectos. Y nos gustaría examinar insectos que no muestren este modelo, por ejemplo, los escarabajos del desierto. Ya hemos demostrado que los insectos controlan el oxígeno de forma precisa, pero no sabemos qué sucede o qué tejidos y células están implicados”.