El curioso caso de los Ositos de Agua

Echiniscus succineus. Microfotografía electrónica.

Una misión espacial regresa a la Tierra; es miércoles 26 de septiembre de 2007 y la cápsula espacial Foton-M3 reingresa a la atmósfera tras haber estado 12 días en la baja órbita de la Tierra. 65 ingenieros y científicos de las estaciones terrestres de Esrange, en Kiruna, Suecia, y el centro de control TsUP de Moscú, Rusia, monitorearon la cápsula que fue lanzada el viernes 14 de septiembre en el cosmódromo de Baikonur, en Kazajstán.

La cápsula ingresa a Tierra con éxito, en un área inhabitada cerca del pueblo de Kustanay, Kazajstán, muy cercano a la frontera con Rusia. Son las 13:58 y los ingenieros y científicos esperan ansiosos los resultados de 43 experimentos europeos que involucraron la física de fluidos, biología, el crecimiento de los cristales, la exposición a la radiación y la exobiología. Uno de esos experimentos involucraba a unos peculiares animales que son comúnmente conocidos como Ositos de Agua.

La gente suele reconocer a los Ositos de Agua debido a que en estos últimos meses muchos sitios de actualidad han dedicado un espacio a las fotografías con microscopio electrónico de estos animalitos, cuyo nombre científico es el de tardígrados. Este artículo es una historia sobre unos peculiares astronautas animales que fueron al espacio y regresaron.

Descubrimiento

La primera persona que vio al microscopio uno de estos animales fue el zoólogo alemán Johann August Ephraim Goeze (1731-1793) que dedicó parte de su vida a estudiar invertebrados acuáticos. En sus observaciones de insectos y gusanos, descubrió la existencia de unos organismos peculiares que se movían como si fueran osos acuáticos microscópicos. El nombre que dio a estos nuevos animales fue el de Kleine Wasser-Bären, que en alemán significa «ositos de agua». Lo que Johann Goeze observó fueron pequeños animales que alcanzaban hasta 1.5mm de longitud, con una estructura oral muy peculiar y lo que parecían ser pequeñas garras al final de cada una de sus ocho patas.

Al descubrimiento de estas criaturas en 1773 en la ciudad de Quedlinburg, le siguió la investigación que realizó el naturalista italiano conocido como el biólogo de biólogos, Lazzaro Spallanzani (1729-1799), quien asignó el nombre de Tardigrada, que en latín significa «de paso lento», en 1777. El lugar de donde era más fácil obtener tardígrados era en los líquenes y musgos, razón por la cual recibieron su nombre en inglés de moss piglets, «puerquitos del musgo» (Romano, F. A. III, 2003)

Desde 1778 hasta el día de hoy se han identificado más de 1150 especies de tardígrados y su biología es una de las más fascinantes dentro de todos los animales.

Hypsibius dujardini, microfotografía electrónica    
por Bob Goldstein y Vicky Madden. 2008.
CC BY-SA 3.0

¿Qué es un tardígrado?

Los tardígrados son pequeños animales que tienen forma de barril, recubiertos por una delgada cutícula no calcificada[1] que usualmente presenta ornamentaciones. Sobre el dorso hay ciertas placas o engrosamientos sobre cada uno de los cuatro segmentos del animal, mientras que hacia el vientre se encuentran ocho apéndices locomotores conocidos como lobopodios, pues más que depender de un sistema muscular, dependen de la presión hidrostática para mover al animal. El vientre no parece tener esos endurecimientos de cutícula.

La boca de estos animales se caracteriza por poseer estiletes con los que ingiere su alimento. El color del animal depende usualmente del contenido alimenticio almacenado en su tracto digestivo, además de algunos pigmentos cuticulares o cuerpos granulares en su cavidad interna. La alimentación de los tardígrados se basa en células vegetales, algas, pequeños invertebrados como rotíferos u hongos. Los estiletes perforan las células y permite al tardígrado absorber el contenido. La boca desemboca en una faringe muscular, de ahí el alimento pasa a un esófago corto y luego a un intestino que ocupa la mayor parte de la cavidad corporal, donde tienen lugar la digestión y la absorción. El intestino abre hacia un recto y desemboca en un ano.

La cavidad interna es muy reducida, formada por paredes corporales compuestas de bandas musculares, que usualmente incluyen una o pocas celulares musculares por banda. A esta cavidad se le conoce como hemocele[2], donde desemboca el sistema circulatorio que derrama su contenido en la cavidad. Poseen un sistema nervioso similar al de los artrópodos, donde cada segmento posee una ramificación nerviosa. El primer ganglio es dorsal, de gran tamaño y corresponde a un ganglio cerebral; este ganglio ramifica y continúa hacia el vientre, llegando a otro ganglio debajo del esófago, de modo que el resto del sistema nervioso se encuentra en el vientre. Por el contrario, el sistema circulatorio se encuentra dispuesto en el dorso. En los vertebrados la configuración es al revés, nuestro sistema nervioso tiene posición dorsal mientras que el sistema circulatorio tiene posición ventral. No hay un sistema respiratorio, pues el intercambio de gases ocurre a través de las paredes corporales y las cavidades.

Los tardígrados son animales eutélicos, que significa que los adultos de una misma especie poseen el mismo número de células, que pueden ser hasta 40,000. Los tardígrados crecen a través de mudas, alcanzando la madurez sexual tras tres o seis mudas[3]. En algunas especies no hay defecación y los desechos se liberan al medio mediante las mudas de cutícula. Existen pocos tipos de animales eutélicos además de los tardígrados: los rotíferos, los gastrotricos y los nematodos, todos ellos invertebrados, en los cuales el crecimiento sucede solamente por el agrandamiento de las células y no por la producción de más.

La reproducción de los tardígrados puede ser partenogenética[4] o sexual. Las hembras pueden poner hasta 30 huevos fecundados al mismo tiempo; en las especies acuáticas, los huevos son colocados entre la cutícula y el cuerpo del animal, de modo que con la muda los huevos son liberados al medio. De manera análoga a los huevos de los vertebrados terrestres, los tardígrados terrestres ponen huevos con una capa externa engrosada que evita la desecación de los embriones. En alrededor de 14 días, los embriones se desarrollan y eclosionan, utilizando sus estiletes para romper los huevos. Una vez que nacen, el número de células permanecerá constante y no se adicionará ninguna célula más. El crecimiento obligará al animal a mudar, produciendo una nueva cutícula entre cada 5 y 10 días, siendo más frecuente mientras más joven es el animal. La muda no solamente involucra a la capa exterior sino también a los epitelios internos que se encuentran en los intestinos y otras cavidades, de modo que durante la muda el tardígrado no come.

Tardígrado al microscopio óptico.

Alrededor de todo el cuerpo, los tardígrados tienen órganos sensoriales, ya sean cilios o espinas similares a las sedas de los insectos, siendo más engrosados en las regiones anteriores (la cabeza y el tórax) y ventrales. Poseen dos manchas oculares en la región de la cabeza (porción cefálica), que se componen de cinco células fotosensibles que perciben los estímulos luminosos.

Los tardígrados son predadores de animales más pequeños a los que pueden perforar con sus estiletes, sin embargo son  parte de la dieta de muchos otros animales que habitan en las briofitas (musgos), como son otros tardígrados, nematodos, ácaros, lombrices, arañas, larvas de insectos, caracoles, colémbolos y algunos hongos.

Comportamiento

La razón por la cual los tardígrados han inundado con fotografías de microscopio electrónico la red se debe a un fenómeno conocido como criptobiosis. En general, los tardígrados no viven mucho, cuando menos 3 meses y cuando más 30 meses, pero durante este tiempo es posible que los tardígrados experimenten un proceso de reducción de las funciones corporales y entren en criptobiosis, viviendo más de lo que se esperaría: décadas.

Los estadios de criptobiosis requieren de un enquistamiento, durante el cual toda actividad metabólica es mantenida al mínimo, de modo que los tardígrados no necesitan ingerir alimento, no defecan ni producen o consumen energía. Esto permite a los tardígrados resistir a las sequías, y los tardígrados dulceacuícolas pueden soportar este estado hasta por 1 año. Cuando los tardígrados se enquistan, empujan sus extremidades hacia el interior, expulsan el exceso de agua del cuerpo y secretan una cutícula doble que les protege del medio externo, evitando la depredación.

Otras formas de criptobiosis involucran la anoxibiosis, criobiosis, osmobiosis y anhidrobiosis, fenómenos que se caracterizan por detener completamente la actividad metabólica. En estos estadios no forman quistes como los anteriormente descritos, sino estructuras con forma de tonel. La anoxibiosis es un proceso que experimentan los tardígrados acuáticos, que se refugian con su forma de tonel cuando los niveles de oxígeno de los cuerpos de agua decaen; sin embargo, esta forma extrema de criptobiosis solamente puede durar hasta 3 días, pues las células requieren oxígeno para subsistir. La criobiosis es inducida cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación del agua, permitiendo a los tardígrados vivir durante la congelación de sus ambientes en el invierno. La osmobiosis induce la formación del tonel debido a un exceso de sales en el agua, de modo que este tipo de criptobiosis elimina la salida de agua del medio e impide una deshidratación del animal, protegiendo sus células. Finalmente, la anhidrobiosis sucede cuando no hay agua en el medio y la forma de tonel aparece para reducir la necesidad de agua al mínimo.

La criptobiosis es, por lo tanto, un estadio de latencia que se induce por condiciones climáticas adversas. En los invertebrados pequeños como los tardígrados y otros mencionados anteriormente, los climas de una región no son tan importantes como los microclimas en que viven, por ejemplo, en el parche de musgo en que un grupo de tardígrados habita. Por ello, la criptobiosis se vuelve una estrategia óptima para poder sobrevivir a tales condiciones impredecibles a nivel microclimático –como que el parche de musgo se seque-, pudiendo reducir su tasa metabólica tan bajo como un 0.01% y subsistiendo con el 1% del contenido de agua (Piper, 2007). Además de los tardígrados, otros animales como los rotíferos, los nematodos y las artemias pueden experimentar ciertos niveles de criptobiosis, aunque no tan desarrollados como en los primeros (Watanabe, 2006).

La criptobiosis (de los vocablos griegos krypto (κρυπτός) 'escondido', bio- (βίος), 'vida' y –sis, 'acción', «la acción de esconder la vida») es una estrategia que implica la máxima reducción conocida de metabolismo, siendo por ello denominada a veces como ametabolismo, si bien lo más correcto es referirse a ella como una vida en latencia. Otro fenómeno similar es la dormancia, o hipometabolismo, que involucra una reducción no tan drástica del metabolismo. Involucra dos fenómenos, la quiescencia y la diapausa. La quiescencia es un estado de espera o inactividad que algunos organismos experimentan para poderse desarrollar adecuadamente o mientras esperan a que las condiciones del medio sean las adecuadas, que es lo que le sucede a muchas semillas. La diapausa es más bien genética, programada para suceder ante ciertos estímulos específicos, y terminada por otros estímulos también específicos. En la diapausa no importa que las condiciones ambientales sean favorables, se llevará a cabo hasta que ocurra un estímulo terminador concreto, común en insectos que realizan migraciones largas como la mariposa monarca (Danaus plexippus). La criptobiosis más común entre los invertebrados es la anhidrobiosis.

Diversidad

¿Cuántos tipos de tardígrados existen? El filo se compone de tres clases diferentes: Heterotardigrada, Eutardigrada y Mesotardigrada. A continuación hablaremos brevemente de cada uno de estos grupos para conocer mejor a estos animales.

Los heterotardígrados se caracterizan por poseer apéndices cefálicos, es decir, proyecciones corporales que nacen de la porción cefálica, además de que en sus lobopodios poseen cuatro zarpas separadas pero con forma parecida. Se reconocen porque poseen una especie de armadura, pues sus segmentos están endurecidos y es posible diferenciar uno del otro. La principal característica es que su aparato reproductor está separado del aparato digestivo; las gónadas desembocan en un ducto (denominado gonoducto) que tiene una apertura (gonoporo) antes del ano. Es posible identificar al macho de la hembra por la forma del gonoporo. Viven en ambientes terrestres y marinos, sin embargo, aunque terrestres, viven sumergidos en películas de agua y requieren que haya suficiente humedad en sus ambientes. Se han descrito 444 especies de heterotardígrados (Zhang, 2011)

Los eutardígrados carecen de apéndices laterales y de endurecimientos de su cutícula, de modo que no es posible diferenciar sus segmentos. Los lobopodios tienen zarpas de variada morfología, no necesariamente con cuatro zarpas cada ni de igual forma. A diferencia de los heterotardígrados, los eutardígrados tienen un gonoducto que desemboca en el recto, de modo que hay una conexión entre el aparato reproductor y el digestivo. Son en general terrestres, con unas pocas especies adaptadas a los medios marinos, como Halobiotus. Uno de los tardígrados más grandes y más distribuidos por todo el mundo es el eutardígrado Milnesium tardigradum, que puede medir hasta 1.4mm y ser visto a simple vista, posee una boca grande y es capaz de comer rotíferos y protistas grandes. Se han descrito 712 de esta clase de tardígrados (Zhang, 2011).

Finalmente, solamente una especie no encaja en ninguna de las diagnosis anteriores, pues posee seis zarpas de la misma longitud en cada lobopodio. Se conoce como Thermozodium esakii, descrito en 1937 tras haber sido recolectado de un manantial cerca de la ciudad de Nagasaki, en Japón. Sin embargo, la especie parece haberse extinto tras un terremoto que destruyó el manantial pues por más que se le ha buscado, la especie ya no se ha encontrado de nuevo (Nelson, 2002). Esta especie es clasificada en su propia clase, como el único mesotardígrado, y permanece en estado dudoso.

La aventura espacial

Cápsula de reentrada Foton 12, en exhibición en el High Bay del Centro
 Erasmus del  Centro de Investigación y Tecnología del Espacio en Noordwijk,
Países Bajos.

Uno de los experimentos que llevaba el vehículo Foton M3 fue el denominado TARDIS, con muchos objetivos por cumplir. Entre ellos, se buscaba averiguar si la criptobiosis podía soportar el vacío profundo, la máxima sequía posible, así como la radiación solar directa. Se buscaba, además, entender el impacto de condiciones espaciales extremas sobre las células y cómo es que las células podrían manejar el estrés de esas condiciones como fuente de conocimiento para una posible futura vida permanente en el espacio.

TARDIS consistió de dos grupos de organismos: uno expuesto al vacío profundo y a la radiación solar, y el otro solamente expuesto al vacío profundo. Los tardígrados llegaron al espacio en estado de anhidrobiosis, por lo que se llevaron a las especies mejor conocidas por su tolerancia a la desecación: Richtersius coronifer (eutardígrado), Milnesium tardigradum (eutardígrado), Echiniscus testudo (heterotardígrado) y Ramazottius oberhaeuseri (eutardígrado). Los tardígrados se montaron en una plataforma especialmente diseñada para el experimento denominada BIOPAN-6.

A su regreso, los primeros tardígrados en el espacio fueron analizados en el laboratorio sueco. TARDIS había sido correctamente llevado a término con BIOPAN-6 sin daños. Lo que seguía por los próximos meses era estudiar la supervivencia de los tardígrados en criptobiosis. El equipo no estaba interesado solamente en saber si vivían o no, sino que tuvieron que analizar los daños en el ADN de las células. Durante el mes de noviembre de 2007, el público mostró un gran interés en el proyecto TARDIS, de tal modo que su coordinador, K. Ingemar Jönsson, investigador en el departamento de Matemáticas y  Ciencia de la Universidad de Kristianstand, mantenía al público al corriente de su trabajo en blog personal. El interés en el proyecto llevó a que el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano (NHGRI, por sus siglas en inglés) en Estados Unidos decidiera programar la secuenciación del genoma completo de una especie de tardígrado, Hypsibius dujardini, a fin de incrementar la información obtenible del experimento.

En septiembre de 2008, los primeros resultados se hicieron públicos, anunciando que muchos de esos tardígrados se volvían los primeros animales en regresar con vida tras una exposición al vacío y a la radiación solar. La radiación cósmica nunca afectó la supervivencia o reproducción de los organismos en las especies Richtersius coronifer y Milnesium tardigradum, «ya fuera porque los organismos son capaces de proteger sus células del daño que se hubiera esperado del impacto de la deshidratación extrema del espacio, o porque son capaces de reparar el daño de alguna manera», escribió Ingemar en su blog.

Alrededor del 12% de los individuos de Milnesium tardigradum logró sobrevivir a la exposición de radiación UV-A y UV-B y recuperarse, si bien produjeron menos huevos que los individuos en tierra.

El objetivo de los experimentos en ciencia, contrario a la creencia popular, no es responder a una pregunta en específico sino abrir una nueva serie de preguntas. Restaba estudiar cómo es que los tardígrados pudieron soportar la deshidratación extrema del espacio, o la intensa radiación ultravioleta no sólo para sobrevivir sino para ser capaces de reproducirse, entre muchas otras preguntas no solamente relacionadas con la biología de los tardígrados sino con la de la vida en general, pues descubrir cómo los tardígrados pudieron reparar su ADN, podría lanzar algo de luz sobre cómo desarrollar más adecuadamente las terapias de radiación.

Se ha especulado que su lento caminar fue el causante de la criptobiosis en estos invertebrados, pues al no poder migrar rápidamente a lugares con condiciones más favorables, por ejemplo más adentro en el suelo del parche de musgo, optaron por algo más arriesgado. Sin duda, los tardígrados el interés que han despertado estos curiosos animalitos seguirá creciendo conforme más aprendamos de su biología.

Tardígrados fósiles

El registro fósil de tardígrados comprende dos especímenes únicamente, Beorn leggi y Milnesium swolenskyi, ambos procedentes del Ámbar de Nueva Jersey. El Ámbar de Nueva Jersey, a veces también conocido como Ámbar Raritano, ya que fue encontrado en las Formaciones Raritan y Magothy, data del Cretácico tardío y se ha encontrado que contiene hongos agaricales, tallos de plantas cupresáceas e insectos dípteros. Milnesium es el tardígrado más antiguo, datado para hace unos entre hace 93.9 y 89.8 Ma, mientras que Beorn es el más reciente, de hace unos 72 Ma; ambos son eutardígrados, por lo que suponemos que los tardígrados se originaron muchísimo tiempo atrás, ya que pertenecen a grupos reconocibles en el presente. Las hipótesis más recientes sugieren que el filum Tardigrada surgió durante la explosión del Cámbrico como parte de un proceso de miniaturización. La primera hipótesis corresponde a la miniaturización de un linaje que incluye al animal del Cámbrico Aysheaia; la segunda, considera que proceden de una miniaturización ocurrida en un linaje del que forma parte Opabinia.

Del Cámbrico de Siberia se han encontrado estructuras que se han supuesto pertenecen a partes de la anatomía de los tardígrados, por lo que se han denominado como "tardigroides", pero debido a lo fragmentario de los restos y a la particularmente pobre preservación, no es posible determinar con certeza que pertenezcan a tardígrados. De ser así, el plan corporal de este grupo se habría establecido a través de la miniaturización muy temprano en la evolución animal. Evidencia molecular sugiere que los tardígrados fueron de hecho uno de los primeros grupos de artrópodos verdaderos en evolucionar, mucho antes que las demás clases de artrópodos.

 

Referencias

1. Brusca, R., G. Brusca (2003) Invertebrates (2nd Edition). Sunderland, MA: Sinauer Associates.
2. Glime, Janice (2010) Bryophyte Ecology: Volume 2, Bryogological Interaction. Houghton, MI: Michigan Technological University and the International Association of Bryologists.
3. Jönsson, K. Ingemar (2008) Tardigrades in Space (TARDIS), consultado el 23 de abril del 2013 de [http://tardigradesinspace.blogspot.mx/]
4. Jönsson, K. Ingemar (2008) Tardigrades survive exposure to space in low Earth orbit. Current Biology, 18(7) R729 - R731.
5. Nelson, D. (2002) Current status of the Tardigrada: Evolution and ecology. Integrative and Comparative Biology, 42(3): 652-659.
6. Piper, Ross (2007), Extraordinary Animals: An Encyclopedia of Curious and Unusual Animals, Greenwood Press.
7. Romano III, Frank A. (2003) On Water Bears. Florida Entomologist 86(2):134-137.       [http://www.fcla.edu/FlaEnt/fe86p134.pdf]
8. Ruppert, E., R. Fox, R. Barnes (2004) Invertebrate zoology: A functional evolutionary approach (7th Edition). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole.
9. Sanchez-Moreno, S., H. Ferris, G. Noemi (2008) Role of tardigrades in the suppressive service of a soil food web. Agriculture, Ecosystems, and Environment, 124: 187-192. Accessed March 13, 2013 at http://plpnemweb.ucdavis.edu/nemaplex/FerrisPublications/pdf%20files/156Sanchez-etal2008.pdf.
10. Sømme, Lauritz (1996) Anhydrobiosis and cold tolerance in tardigrades, European Journal of Entomology, 93:349-357. [http://www.eje.cz/pdfs/eje/1996/03/07.pdf]
11. Watanabe, Masahiko (2006). "Anhydrobiosis in invertebrates". Appl. Entomol. Zool. 41(1): 15–31.

---

[1] La cutícula de crustáceos posee depósitos de calcio que le hacen ser tan dura.

[2] En muchos invertebrados, la cavidad corporal está reducida, en ella desemboca la hemolinfa, que es una mezcla entre la sangre y el líquido intersticial. De este modo, los órganos son bañados por la hemolinfa en vez de distribuidos a través de vasos sanguíneos, por lo que los hemoceles son el nombre que reciben las cavidades de un sistema circulatorio abierto.

[3] El proceso de mudar se conoce como ecdisis. Todos los animales que realizan ecdisis parecen tener un ancestro común, por lo que se engloban en un grupo conocido como Ecdysozoa. Los ecdisozoos más conocidos son los artrópodos, pero también se incluyen otros grupos como los nematodos y otros filos más pequeños y menos conocidos como los priapúlidos, los quinorrincos, los onicóforos, nematomorfos (ver galería del final) y por supuesto, los tardígrados.

[4] La partenogénesis es un tipo de reproducción asexual donde los organismos son capaces de desarrollarse a partir de ovocitos (óvulos) no fecundados, por lo que la descendencia es un clon de los progenitores. Si el óvulo se formó de un proceso de meiosis, es decir, dividiendo el material genético del progenitor a la mitad, entonces la descendencia es un medio clon.

Una versión de este artículo fue publicada el 6 de mayo de 2014 en Revista Mito.