Darwin y el ojo

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La luz ha condicionado la vida en la Tierra. Los detectives evolutivos están obligados a indagar en los organismos más primitivos que todavía existen para descubrir cómo ha cambiado el ojo

 

 

Ilustración Mirjana Farkas

 

“Estoy seguro que con lo inquieto que era Charles Darwin,

estaría encantado de poder refutar sus teorías con las

potentes herramientas biológicas que tenemos en la actualidad”

 

 

Uno de los enigmas que la evolución plantea a los científicos es reconstruir cómo se han adaptado a los cambios determinados organismos que no han dejado huella física de su paso por el planeta. Hallamos multitud de fósiles, pero son incompletos, no existe rastro de algunos de sus órganos como los ojos. Apenas quedan los huecos donde se alojaban, y con tan escasa información resulta algo más que complejo poder determinar su evolución.

       Si algo ha condicionado y condiciona la vida en la Tierra es sin duda la luz (y los ciclos de oscuridad). Por tanto no resulta descabellado pensar que los seres vivos que mejor sacaran partido a la misma (a su presencia y a su ausencia) contarían con ventajas para sobrevivir en el planeta. Aquel que ve imágenes en lugar de distinguir luces y sombras cuenta, sin duda, con mayores papeletas para lograr el premio de la supervivencia. Los ojos, o mejor dicho la vista, es uno de los elementos que han contribuido a la selección natural de determinadas especies.

       Los detectives evolutivos están obligados en estos casos a realizar un viaje en el tiempo a través de los organismos más primitivos que todavía existen y de su estudio, especular sin temor a equivocarse demasiado, como podrían haber sido. En una primera catalogación podemos determinar que existen dos tipos de ojos, los simples y los complejos, y estos, a su vez, pueden dividirse en otros dos, los que tienen un sólo receptáculo o cámara (los de los humanos) o los que tienen múltiples miniojos, en cuyo caso estaríamos hablando de ojos compuestos (por ejemplo los de los insectos). En los compuestos, la imagen se genera con la visión conjunta de todas esas partes; como un monitor, que compone las imágenes uniendo todos los puntos de luz  que se iluminan en la pantalla. Y, lógicamente, a mayor número, mayor nitidez o capacidad de ver matices.

       Cada tipo de ojo permite ver de una manera determinada, o dicho de otro modo, no todos los animales ven como los humanos: algunos insectos son capaces de detectar las radiaciones ultravioletas (y por lo tanto ven los colores de otro modo), o las serpientes, que son capaces de detectar el infrarrojo, lo que les posibilita discriminar las diferentes temperaturas que tienen los animales (son capaces de distinguir su perfil).

La evolución que han experimentado los ojos se puede realizar atendiendo a muchos aspectos, pero vamos a centrarnos en limitar el estudio fundamentalmente en tres: desde el punto de vista molecular, del celular, y desde el punto del anatómico.

 

La evolución del órgano visual a nivel molecular

De la infinidad de moléculas que forman parte de los órganos visuales, los científicos han centrado su interés en dos grandes grupos: las cristalinas, que son unas proteínas presentes en el cristalino (la estructura que se opacifica dando lugar a lo que conocemos como cataratas) y las opsinas que son las moléculas que captan la luz.

       El cristalino es una estructura viva que actúa como una lente enfocando la luz en la retina. Todas sus células y moléculas tienen que estar perfectamente organizadas para que la luz llegue a la retina sin alteraciones y se forme la imagen de lo que vemos. Las proteínas del cristalino se llaman cristalinas y son de varios tipos. Se agrupan en parejas, en grupos de cuatro o incluso mayores, pero siempre manteniendo una estructura que hace que cuando la luz las atraviese no se disperse y llegue perfectamente a la retina. Aunque las mejor estudiadas son las de los mamíferos, prácticamente cualquier especie que tenga un cristalino tiene alguna cristalina.

 

 

       Sin embargo en el estudio de algunos animales primitivos (más antiguos evolutivamente hablando que el hombre) como los cocodrilos, o los calamares se observa que tienen proteínas que cumplen una doble función. Así, ubicadas en otras zonas del organismo, desempeñan un papel determinante, pero cuando se alojan en el cristalino, cambian de papel y simplemente ayudan a que la luz se enfoque en la retina (este comportamiento en el que una misma proteína que viene de un solo gen haga dos cosas diferentes se denomina gene sharing).

       Esto nos lleva a una primera conclusión en torno a la evolución de los órganos visuales: los organismos más primitivos en lugar de crear nuevas proteínas para ayudar a que sus ojos vieran mejor decidieron emplear otras existentes haciendo así una demostración de lo que es la adaptación de los recursos existentes.

       Las otras moléculas interesantes son las encargadas de captar la luz denominadas opsinas. Las opsinas tienen además asociada otra molécula que es la que verdaderamente hace de sensor para captar la luz (se le llama pigmento y suele ser un retinoide). Las opsinas desde el punto de vista de la evolución de los órganos visuales han cambiado muy poco.

       Existen hasta 1.000 tipos diferentes, divididas en siete familias. Todas ellas conservan una estructura muy semejante. Es decir, evolutivamente hablando, se encontró un método muy eficaz para la captación de la luz y no han surgido grandes variaciones, tan sólo pequeñas adaptaciones.

       Tienen una estructura muy especial con siete hélices que generan un hueco en el que se sitúa el pigmento. Los pequeños cambios detectados se han encaminado a la especialización en la captación de luz de diferentes longitudes de onda (diferentes colores). Así, hasta la aparición de los primeros vertebrados había cinco tipos de opsinas; o sea que esos organismos captaban sólo cinco colores: el azul, el amarillo, el naranja, el blanco y negro, y una última para la luz ultravioleta.

       Algunos vertebrados aún son capaces de discriminar esas cinco tonalidades, sin embargo, los mamíferos tienen dos opsinas y solamente pueden ver el amarillo y el azul. En el caso de los humanos, la evolución de nuestra especie ha realizado un proceso de duplicación genética: uno de los genes que codifica para una de las dos opsinas se duplicó y como consecuencia se generó una tercera opsina capaz de captar el color rojo. Este es el motivo por el cual somos tricrómatas (que vemos tres colores y las combinaciones de los mismos).

 

La evolución celular del órgano visual

Las opsinas se localizan en unas células especiales llamadas fotorreceptores y los pigmentos que absorben la luz se sitúan en la membrana de las mismas (la parte más superficial). Además, tienen que estar presente en grandes cantidades para poder capturar la mayor cantidad de luz, y para ello, estas células desarrollaron una estructura muy ondulada (que recuerda a un cepillo) haciendo replegar la membrana. A estos fotorreceptores se les llama rabdoméricos.

       Con la evolución algunos organismos trazaron otras estrategias para colocar el mayor número de opsinas en los fotorreceptores. Una de las que resultó exitosa consistió en realizar el repliegue de la membrana en torno a una estructura que tienen algunas células que se llama cilio (es como un pelo). De este modo se consiguió una célula que en su parte superior pareciera una pluma de ave, con una parte central (el cilio) y la membrana ondulada a ambos lados.

       Fue el origen, millones de años antes, de la estructura actual de nuestras retinas, que llamamos conos y bastones. Estos dos fotorreceptores se diferencian en que esa parte apical de las células es en forma cónica en unos casos y en forma alargada en otros. De manera general, a las células fotorreceptoras que parten de un cilio central se les denomina ciliares, en clara diferencia con las rabdoméricas anteriormente descritas.

       Existen algunos organismos que presentan los dos tipos de fotorreceptores, rabdoméricos y ciliares. Por ejemplo en los poliquetos, que son un grupo de gusanos acuáticos, tienen fotorreceptores rabdoméricos en sus ojos y ciliares en su cerebro. También la vieira denominada Pecten. Sí, las vieiras tienen ojos, y algunas tienen ojos para ver de cerca y ojos para ver de lejos, nada menos. Los ojos de la vieira Pecten que ven de cerca, tienen fotorreceptores rabdoméricos y los que ven de lejos, de tipo ciliar.

       Los humanos, hablando de fortorreceptores, conservamos una herencia del pasado. Así por ejemplo, nuestros fotorreceptores (conos y bastones) son ciliares, pero algunas otras células de la retina (alguna de las células llamadas ganglionares) tienen algún vestigio de un posible origen rabdomérico. En este caso, este pequeño grupo de células ganglionares pueden captar intensidades de luz y a veces el color de dicha luz, pero no pueden discriminar formas ni movimientos como los hacen los conos y bastones.

 

La evolución anatómica del órgano visual

Los vestigios de cómo pudieron ser los primeros ojos de los seres que poblaron el planeta lo podemos encontrar, sin temor a errar en gran medida, en un alga unicelular llamada Euglena que presenta un tipo de ojo muy primitivo en forma de mancha de color rojo. Se trata de una concentración de pigmentos parecidos a las opsinas, que le permiten distinguir poco más que luz y sombra.

       Sin embargo, esta simplicidad le permite detectar amenazas, o desplazarse hacia la luz, ya que es un organismo que realiza la fotosíntesis y que por consiguiente requiere de luz para vivir y alimentarse. Ahora bien, estimando que los ojos más primitivos tuvieran esta estructura, el paso de organismos unicelulares a pluricelulares hicieron que los mecanismos de la evolución tuvieran que trabajar a destajo intentando un sinfín de alternativas, muchas de las cuales sucumbieron por el camino.

       Alternativas que tuvieron su eclosión en el periodo cámbrico (570-500 millones de años), cuando se produjo la explosión de cambios -en las más diversas facetas que uno pueda imaginarse- en prácticamente todos y cada uno de los organismos existentes en ese momento. Como no podía ser de otro modo, esto también afectó a la evolución de los primitivos órganos visuales.

       En este sentido, es muy probable que los primeros organismos pluricelulares con algo parecido a un órgano visual especializaran un grupo de sus células, ubicadas muy superficiales para captar la luz y tal vez poder detectar el movimiento de otros organismos. Esta estructura estaría acompañada por alguna célula pigmentada que evitaría que la luz se dispersara, dando un poco de calidad a las “luces y sombras” que podían detectarse con este primitivo ojo. A esa estructura se le denominó mancha visual o visual spot y podemos considerarlo como el órgano visual más primitivo.

       El siguiente paso en la evolución fue dotar a esa estructura de más células fotorreceptoras y pigmentadas y adoptar una forma de copa, que en el siguiente escalón evolutivo llegó a cerrarse casi por completo. Esa pequeña abertura permitía pasar un fino haz de luz que se proyectaba sobre las células fotorreceptoras y pigmentadas en algo que podríamos considerar como retina primitiva.

       El hueco que se formaba entre la retina y la hendidura estaba lleno de agua, lo que aportaba ciertas características ópticas a ese nuevo órgano visual. Actualmente un organismo que tiene un ojo así es el Nautilus, con el que ve poco más que luces y sombras, además del movimiento de objetos delante de su ojo primitivo.

       El siguiente paso consistió en la consecución de calidad en forma de resolución en las imágenes que llegaban a las retinas, para lo cual se desarrollaron lentes. La primera aportación fue el desarrollo de una lente refractiva que funcionaría como el cristalino permitiendo focalizar las imágenes en la retina. Este primer cristalino debió ser semejante al de los caracoles silvestres que todos conocemos y que les permite tener una idea más precisa de cómo es el entorno que les rodea.

       En posteriores pasos, el órgano visual se especializó en colocar una estructura superficial transparente equivalente a lo que es la córnea y un diafragma para controlar la cantidad de luz que llega a la retina, es decir, un iris. Una vez los elementos se dispusieron, ya solamente hizo falta refinar todos y cada uno de ellos, así como ensayar diversas configuraciones de los elementos que forman el órgano visual. Esto último ha dado lugar a la existencia de numerosos tipos de ojos.

 

¿Cuántos tipos de ojos existen?

De manera sencilla hay dos tipos de ojos, los simples y los complejos, tal y como se ha comentado al comienzo de este artículo. Los primeros son los que se han definido como punto de partida en los cambios que se dieron en el periodo cámbrico: unas pocas células fotorreceptoras y otras pocas pigmentadas. Los complejos tienen más células fotorreceptoras, pigmentadas y otras que forma un cristalino. Estos ojos complejos pueden ser además de dos tipos, con un solo receptáculo o cámara o con bien con múltiples miniojos, en cuyo caso estaríamos hablando de ojos compuestos.

       Los ojos en cámara pueden ser a su vez extraordinariamente variados. Puede ser como un hueco con una hendidura, como es el caso del Nautilus o puede también tener un cristalino, con lo que la calidad de la imagen es mejor. Por último puede ser una estructura que presente zonas reflectantes, que hagan que la luz se refleje y llegue a la retina no de manera directa como en los dos casos anteriormente mencionados. A estos ojos se les llama espejos y los tienen, entre otros organismos, las vieiras.

       Los ojos compuestos, característicos de los insectos, están formados por numerosos miniojos llamados facetas u omatidios, que en su conjunto generan la imagen del mismo modo que un monitor compone las imágenes uniendo todos los píxeles que se iluminan en la pantalla. Cuantos más omatidios tiene el ojo de un insecto mayor es la resolución y la calidad de la imagen que ven. Por ejemplo, algunas libélulas tienen en sus ojos 28.000 facetas por lo que la calidad de su visión es magnífica.

 

Ojos que ven lo que nosotros no vemos

Algunos organismos, como consecuencia de su evolución y de la necesidad de adaptarse al medio en el que han vivido, pueden ver las cosas de manera diferente a la nuestra. Los insectos tienen fotorreceptores cuyas opsinas pueden detectar las radiaciones del ultravioleta próximo, de ahí que su percepción del color sea diferente y más rica en matices a la de los seres humanos, pero a cambio pierden la capacidad de ver colores como los anaranjados y los rojos.

       Al otro lado del espectro visible está el infrarrojo. Muchas serpientes son capaces de verlo, y les resulta extraordinariamente útil, sobre todo a las que viven en el desierto, haber desarrollado la capacidad de ver en esta longitud de onda. Esto les permite discriminar entre el calor del medio el perfil de los pequeños roedores que tienen la temperatura más alta o más baja que el entorno.

 

¿Hacia donde va la evolución del órgano visual?

Tal y como relataron Eduardo Costas y Victoria Lopez-Rodas en su artículo “La maldición de los humanos” no nos queda mucho tiempo sobre la superficie de la Tierra. Por ello, si consideramos que el ojo humano es el más sofisticado que existe evolutivamente hablando, los apenas poco más de 20.000 años que aún viviremos no van a permitir obtener cambios sustanciales en la estructura y función del ojo.

Sin embargo, no hay que olvidar que el hombre ha adquirido un desarrollo tecnológico que posibilitará la obtención de cotas sorprendentes en lo que es la mejora del órgano de la visión. Por ejemplo, ya existen dispositivos que permiten ver en el ultravioleta o en el infrarrojo, tal y como hacen los insectos y serpientes.

       Actualmente se trabaja intensamente en el desarrollo de unas lentes de contacto que permitan generar imágenes que nuestras retinas pueden ver superponiéndolas a las imágenes reales de lo que realmente estamos viendo. Esto significa que si podemos conectarnos a Internet vía WiFi, las lentes de contacto reconocerán, por ejemplo, un monumento que estamos viendo, pedirá información sobre el mismo y nos la enviará en tiempo real para ser leída a la vez que contemplamos el monumento. También podríamos crear una base de datos de caras de personas, lo que nos facilitaría saber en todo momento con quien estamos hablando (si somos malos fisonomistas) o por qué no, tener un GPS integrado en las lentillas.

       En resumen, la evolución más plausible en los próximos milenios será cibernética y no biológica. Es muy posible que se puedan desarrollar dispositivos muy adaptados a trabajos y necesidades muy específicas, donde se combinarán la inventiva con las necesidades reales, pero que sin duda hará que las personas que los desarrollen tengan una ventaja (¿evolutiva?) sobre los que no los tengan. Eso, de algún modo es también selección natural, ¿no?

 


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Autor: Jesús Pintor