Biología cuántica

Durante muchos años, la comunidad científica consideró que la biología y la física cuántica tenían poco que ver, una idea que hoy es vista como errónea. En realidad, la mecánica cuántica juega un papel importante en procesos biológicos variopintos como la fotosíntesis de las plantas, la producción de radicales libres en las células, la genética o la migración de las aves. De la interacción de ambas disciplinas científicas nació la biología cuántica, de la que hoy veremos dos ejemplos concretos relativos al mundo de las aves: la sensibilidad al campo magnético terrestre y el daño oxidativo que provoca el esfuerzo de la migración.

Dibujo de Corinna Langebrake e Ilia Solov`yov

Gracias a su extraordinaria capacidad de vuelo, las aves pueden cubrir distancias de miles de kilómetros en sus viajes migratorios. Estos desplazamientos son desencadenados por cambios estacionales que modifican la disponibilidad de alimentos a escala local. Las aves se anticipan a estos cambios y migran a zonas alternativas que tienen los recursos nutritivos que les niegan los lugares de origen.

Estos viajes suponen una necesidad pero también un riesgo. El primer problema que deben resolver es cómo orientarse. Las aves pueden viajar de día o de noche según la especie que consideremos. Rapaces, cigüeñas, flamencos y grullas son viajeras diurnas ya que dependen de corrientes térmicas para migrar y éstas solo se dan durante ciertas horas de día. También vuelan de día otras aves pequeñas que recorren menores distancias como los fringílidos, así como aquellas que se guían por accidentes geográficos, como las palomas, abejarucos y golondrinas. Otros, como los cucos, búhos, oropéndolas, carriceros, zorzales, petirrojos, mosquiteros o currucas, realizan sus vuelos migratorios de noche. Se alimentan durante el día mientras reponen fuerzas en sus estaciones de tránsito y pueden usar la posición de las estrellas como sistema de referencia en sus vuelos nocturnos.

Fernando G. Baptista. National Geographic

En su primer otoño de vida, las aves jóvenes se guían por instrucciones heredadas de sus progenitores que les marcan direcciones y tiempos de vuelo para llegar a sus destinos. Pero si cometen un error y se desvían de su rumbo, no logran recuperarlo pues aún carecen de un mapa funcional que les indique dónde se encuentran. Ese es uno de los motivos por los que solo el 30% de los pequeños migradores sobreviven a su primer viaje.

Diversos estudios han mostrado, no obstante, que durante su primera migración, las aves “trazan” un mapa en su cerebro que usarán en posteriores desplazamientos para orientarse con gran precisión. De modo que la navegación mejora con la experiencia y permite continuas correcciones de rumbo para regresar cada año al mismo lugar en el que nacieron tras su largo viaje migratorio. 

Las aves obtienen sus datos de navegación a través de diversos sentidos, sobre todo la vista, el olfato y la recepción magnética. Los científicos conocen bastante bien los mecanismos biofísicos de los sentidos de la vista y el olfato. Sin embargo, el funcionamiento interno de su brújula magnética está siendo más difícil de desentrañar.

Líneas de fuerza del campo magnético terrestre

En un artículo anterior mostramos cómo la Tierra actúa como un imán gigante, con un polo Norte y un polo Sur interconectados por líneas magnéticas de fuerza. En principio, el campo magnético terrestre representa una fuente fiable de información direccional, ya que los polos magnéticos están próximos a los polos geográficos y no se modifican nunca durante la vida del animal. El campo magnético pasa virtualmente inadvertido para nosotros pero muchas especies de aves tienen la capacidad de detectarlo y utilizarlo en sus desplazamientos migratorios. 

El sentido magnético de los pájaros que migran de noche tiene varios aspectos relevantes. En primer lugar, se ha observado que, al exponer a un ave enjaulada a campos magnéticos controlados, su brújula no se comporta como la aguja imantada de nuestras brújulas. Y es que, a pesar de que los pájaros detectan el eje del campo magnético y su ángulo de inclinación, la inversión del campo magnético en el laboratorio no tiene ningún efecto sobre la capacidad del ave para orientarse correctamente. En segundo lugar, a pesar de que estos pájaros vuelan en condiciones de oscuridad, su sentido magnético es dependiente de la luz, lo que apunta a una conexión entre éste y la vista.

En 1978, en un intento de explicar esas características de la magnetorrecepción, el biofísico alemán Klaus Schulten propuso que la brújula de las aves se basaba en transformaciones químicas sensibles al magnetismo. Se inspiró en un descubrimiento realizado unos años antes que señalaba que ciertos intermediarios químicos efímeros conocidos como pares de radicales poseen propiedades únicas que los hacen sensibles a interacciones magnéticas débiles.

Petirrojo europeo

Hace 10 años, el biólogo danés Henrik Mouritsen descubrió que una región del cerebro encargada de recibir y procesar la información visual es la más activa cuando ciertas aves migratorias nocturnas emplean su brújula magnética. Una investigación con petirrojos europeos (Erithacus rubecula) reveló que si esa región es disfuncional, los pájaros aún pueden servirse de sus brújulas solar y estelar, pero son incapaces de orientarse mediante el campo magnético terrestre. Gracias a este tipo de experimentos, parece claro que los sensores magnéticos de las aves se encuentran en la retina.

Recientemente, investigadores de las universidades de Oxford (Reino Unido) y Oldenburg (Alemania) ha profundizado en el conocimiento de esta especie de “brújula” o GPS interno que permite orientarse y volar durante la noche a los migradores nocturnos.

Este dispositivo biológico capaz de detectar las líneas del campo magnético terrestre es una proteína presente en la retina de los ojos. Pertenece al grupo de los “criptocromos” y también está presente en otros seres vivos. Dicha proteína fotorreceptora y magnetorreceptora se denomina “criptocromo 4” (CRY4) y parece ser más sensible a las líneas de fuerza del magnetismo terrestre que las que poseen otras aves no migradoras como las palomas o las gallinas.

En dicho trabajo se explica cómo los científicos aplicaron técnicas de resonancia magnética y óptica para analizar la proteína, y esto les permitió descubrir su marcada sensibilidad a los campos magnéticos. Al parecer, dicha sensibilidad se debería a reacciones de transferencia de electrones provocadas por la absorción del color azul del espectro de la luz.

En la conclusión del estudio se apunta que esta reacción química desencadena efectos cuánticos capaces de amplificar las débiles señales geomagnéticas (entre 10 y 100 veces más débiles que la de un imán de nevera). Los criptocromos CRY4 contienen una molécula de dinucleótido de flavina y adenina (DFA) y un aminoácido triptófano (TRP). En el estado estable, estas moléculas son eléctricamente neutras, pero cuando un fotón de luz azul incide sobre el criptocromo, salta un electrón del TRP al DFA. Las moléculas resultantes, cada una con un número impar de electrones, constituyen un par radical magnéticamente sensible.

Modificado de www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/navegacin-cuntica-859

Los triptófanos parecen ser la clave de la brújula magnética ya que si se sustituyen por otros aminoácidos diferentes se bloquea el movimiento de electrones y los petirrojos se desorientan por completo. De manera que la retina de estas aves presenta un complejo mosaico de células perfectamente fijadas y alineadas que aumentan su sensibilidad a la dirección del campo magnético de la Tierra. Esto hace posible que cada petirrojo pueda volar solo en la oscuridad de las noches sin Luna y sin desviarse apenas de su ruta migratoria. Son aves que están perfectamente diseñadas para seguir con precisión el campo magnético terrestre.

Los investigadores reconocen que no han verificado de manera concluyente que las aves usen el criptocromo-4 para detectar los campos magnéticos ya que solo han comprobado en laboratorio (in vitro) que dicha proteína parece ser adecuada para su propósito como imán magnético. Comprobar esa funcionalidad en un petirrojo vivo es algo mucho más complejo, y habrá que esperar un tiempo para la confirmación.

Sin embargo, los problemas no acaban con saber orientarse. Las aves deben superar todas las barreras físicas que encuentran en el camino, como barreras montañosas, grandes masas de agua oceánica y grandes desiertos. Durante el recorrido deben abastecerse de alimento y agua, eludir a los depredadores, aguantar las inclemencias del tiempo y las enfermedades, y reponerse de la fatiga.

Macho reproductor de Limosa haemastica

Los campeones de resistencia en vuelo migratorio son ciertas aves costeras migratorias (Charadriiformes) que en sus largos viajes incluyen uno o más vuelos transoceánicos sin escalas de entre 8.000-12.000 kilómetros. Este es el caso del aguja café (Limosa haemastica), que una semana recorre sin paradas la larga travesía desde Tierra del Fuego hasta Alaska y Canadá. Supera esta dura prueba con los nutrientes almacenados en forma de grasa, y mantiene tasas de gasto metabólico tan altas que desafían los límites de lo que se conoce en fisiología de la resistencia.

La alta actividad metabólica asociada con los vuelos de resistencia de estas aves puede producir grandes cantidades de especies reactivas de oxígeno que causan daño oxidativo. Estas moléculas pequeñas y altamente reactivas incluyen iones de oxígeno, radicales libres y peróxidos, tanto inorgánicos como orgánicos. Tienen uno o más electrones desapareados en su capa electrónica más externa y tiempos de vida media muy cortos debido a esta alta reactividad.

Bandada de agujas café

Un ejercicio intenso y prolongado produce la acumulación de radicales libres en las células y puede tener efectos perjudiciales en el ADN, los lípidos y las proteínas. No obstante, las aves tienen estrategias para hacer frente al coste fisiológico de la migración. En una investigación de 2019 se comprobó cómo la aguja café era capaz de reducir los niveles de especies reactivas de oxígeno a la vez que aumentaba los antioxidantes para contrarrestar el estrés oxidativo, esto es, la acumulación de daño oxidativo. 

Los antioxidantes son unas sustancias capaces de neutralizar los daños de los radicales libres. Para ello ceden uno de sus propios electrones  (lo que provoca que el antioxidante se oxide) y detienen la reacción en cadena iniciada por los radicales libres. Los principales antioxidantes son la vitamina E, la vitamina C, los carotenoides y los polifenoles. En su preparación previa a la migración, la aguja café casi duplica su masa corporal incorporando alimentos ricos en antioxidantes que están presentes en su dieta habitual. 

También en este proceso químico asistimos a una especie de vals cuántico, un complejo baile de electrones entre diminutas sustancias que los ceden o los ganan cambiando de estado.  

Comenzamos con los petirrojos y nos despediremos también con ellos. Es conocida la relación de estos pájaros con la Navidad. En un artículo publicado en este blog ya hablamos de ello. Con la cercanía de la Navidad, quiero transmitir mis deseos de un Feliz Año 2023 a todos los lectores del blog Certhia y nada mejor que hacerlo con una imagen de nuestro querido petirrojo, tomada por el fotógrafo escocés Mark Hamblin. Puede revisarse su excelente trabajo en la web: https://www.markhamblin.com/home.

José Antonio López Isarría