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Metamorfosis y larvas de anfibios

La palabra anfibio proviene del griego antiguo “amphi”, que significa “ambos” y “bios”, que significa “vida”. Aunque el término anfibio es un adjetivo que sirve para describir a animales que viven tanto en tierra como en el agua, en el caso de los anfibios además hace referencia a las dos etapas vitales por las que pasan, y es que los anfibios nacen en un estado larvario acuático y se convierten en individuos adultos mediante la metamorfosis. En esta entrada os explicaremos cómo funciona la metamorfosis a nivel hormonal, qué cambios anatómicos se dan y las diferencias de dicho proceso entre los diferentes órdenes de lisanfibios.

METAMORFOSIS LISANFIBIA

La metamorfosis está presente en los tres órdenes actuales de lisanfibios. Este proceso ya ocurría en los primeros tetrápodos terrestres, los cuáles debían poner sus huevos en el agua. Aun así, no todas las especies actuales presentan metamorfosis externa, ya que algunas nacen como adultos en miniatura (como el 20% de especies de anuros). En estas especies, la metamorfosis se da igualmente en el interior del huevo antes de nacer, lo que se conoce como metamorfosis interna.

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Huevos de rana verde de ojos rojos (Agalychnis callydryas) justo antes de eclosionar, por Geoff Gallice.

Como norma general, los lisanfibios ponen sus huevos en el agua. En la gran mayoría de especies, de los huevos gelatinosos nacerán larvas acuáticas, aunque su morfología varía mucho entre las diferentes especies. Aun así, las larvas de todos los lisanfibios presentan una serie de características comunes:

  • Branquias externas, mediante las cuales respiran bajo el agua.
  • Ausencia de párpados y de pigmentos retinianos asociados a la visión fuera del agua.
  • Presencia de la línea lateral (o equivalente), órgano sensorial característico de los peces que les permite percibir las vibraciones del agua.
  • Piel menos gruesa.
  • Adaptaciones anatómicas a la vida subacuática.

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Foto de salamandra común (Salamandra salamandra) en la que se aprecian las branquias externas y el aspecto pisciforme de la larva, por David López.

Durante la metamorfosis, muchas estructuras que son útiles durante el estado larvario serán reabsorbidas mediante la apoptosis, un proceso de muerte celular controlada. En muchos casos este proceso está altamente condicionado por varios factores ambientales como la densidad de población, la disponibilidad de alimento y la presencia de ciertas sustancias químicas en el agua.

CAMBIOS HORMONALES

A nivel hormonal, la metamorfosis se caracteriza por la interacción de dos tipos de hormonas diferentes: las hormonas tiroideas y la prolactina. Mientras que las hormonas tiroideas, como la tiroxina (segregadas por la glándula tiroides), estimulan el proceso de metamorfosis, la prolactina (segregada por la glándula pituitaria o hipófisis) la inhibe. La concentración de estas dos hormonas (regulada por el eje Hipotálamo→Hipófisis→Tiroides) es lo que controla las diferentes fases de la metamorfosis.

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Esquema de Mikael Häggström del eje hipotálamo (verde), hipófisis o pituitaria (rojo), tiroides (azul) en seres humanos y la liberación de hormonas tiroideas.

PREMETAMORFOSIS

Es la fase de crecimiento de la larva, y dura alrededor de los primeros 20 días de vida (dependiendo de la especie). Esta fase se caracteriza por una baja secreción de hormonas tiroideas y por una alta concentración de prolactina, que inhibe el proceso de metamorfosis. Esto se debe a que el sistema hipotálamo→hipofisario aún es inmaduro.

PROMETAMORFOSIS

Es un período de crecimiento reducido con cambios morfológicos lentos, debidos al aumento en la concentración de tiroxina en sangre a causa del crecimiento de la glándula tiroides. Además, comienza a desarrollarse el eje hipotálamo→hipofisario, el cual hará aumentar aún más la concentración de tiroxina y disminuirá la de prolactina, abriendo paso a grandes cambios morfológicos.

CLÍMAX METAMÓRFICO

Es el momento en el que el eje hipotálamo→hipófisis→tiroides se encuentra en su máximo rendimiento y se dan grandes cambios morfológicos en la larva, la cual se acabará convirtiendo en un adulto en miniatura. Finalmente, los niveles de tiroxina se empezarán a restablecer por un sistema de retroalimentación negativa de ésta sobre el hipotálamo y la hipófisis.

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Esquema extraído de Brown & Cai 2007, sobre los niveles generales de hormonas tiroideas durante las diferentes etapas de la metamorfosis.

CAMBIOS MORFOLÓGICOS

A lo largo del proceso de metamorfosis, las larvas sufrirán una serie de cambios anatómicos que les permitirán adquirir la forma adulta. Algunos cambios comunes a la mayoría de especies son la adquisición de párpados y nuevos pigmentos retinales, la reabsorción de las branquias y la pérdida de la línea lateral. Otros cambios morfológicos varían entre los diferentes órdenes. Por ejemplo en las cecilias (orden Apoda) las larvas se parecen a adultos en miniatura pero con branquias externas. Además, la mayoría de cecilias presentan metamorfosis interna y al nacer ya no tienen ningún rastro de las branquias.

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Foto de Blog do Nurof-UFC del huevo de una Cecilia, dentro del cual vemos a la larva branquiada.

En los urodelos (orden Urodela), los cambios metamórficos externos tampoco son muy espectaculares. Las larvas se parecen bastante a los adultos ya que sus extremidades se desarrollan temprano, aunque tienen branquias externas filamentosas, no tienen párpados y la aleta caudal está más desarrollada. Incluso su dieta es carnívora como la de los adultos. Aun así, la gran diversidad de salamandras y tritones hace que los ciclos vitales de las diferentes especies varíen mucho, desde especies vivíparas que paren a crías vivas, hasta especies neoténicas que mantienen características larvarias durante la vida adulta.

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Foto de David Álvarez del parto vivíparo de una salamandra común (Salamandra salamandra), y foto de Faldrian de un ajolote (Ambystoma mexicanum), una especie neoténica.

Las ranas y los sapos (orden Anura) son el grupo en el que los cambios metamórficos son más dramáticos. La larva de los anuros es tan distinta que se llama renacuajo, el cual se diferencia del adulto tanto en el aspecto como en la fisiología y el comportamiento. Aunque los renacuajos nacen con branquias externas, éstas quedan cubiertas a los pocos días por unos pliegues de piel que forman una cámara branquial. Además los renacuajos tienen un cuerpo redondeado y sin patas y una cola larga y comprimida que les permite nadar velozmente en el agua.

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Foto de J. J. Harrison de un renacuajo de rana arborícola parda meridional (Litoria ewingii).

Una de las principales diferencias entre los anuros adultos y los larvarios es la dieta. Mientras que las ranas y los sapos adultos son depredadores, los renacuajos son larvas herbívoras, alimentándose o bien filtrando partículas vegetales suspendidas en el agua, o bien raspando las algas pegadas a las rocas con un conjunto de “dientes” córneos que presentan algunas especies. Esto se refleja en su aparato digestivo en forma de espiral y extremadamente largo a fin de poder digerir las grandes cantidades de materia vegetal de la que se alimentan. Los renacuajos son máquinas de comer incansables, con algunas especies filtradoras siendo capaces de filtrar hasta ocho veces su volumen corporal de agua por minuto.

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Foto de Denise Stanley de un renacuajo, donde vemos tanto los “dientes” córneos, como el intestino en forma de espiral.

Tras la metamorfosis, los renacuajos reabsorberán las branquias y la cola, reducirán la longitud de su aparato digestivo, desarrollarán las patas y los pulmones, convirtiéndose en metamórficos preparados para la vida en tierra.

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Sapo espinoso justo después de la metamorfosis (Bufo spinosus) de David López.

Como hemos visto, el proceso de metamorfosis varía mucho entre las diferentes especies de cada orden. Este proceso hace que la mayoría de lisanfibios pasen parte de sus vidas en el agua y parte en tierra, hecho representativo de la transición de los primeros tetrápodos del medio acuático al medio terrestre. Además, la gran diversidad de nichos ecológicos que ocupan tanto los adultos como las larvas de las diferentes especies y el amplio abanico de factores ambientales que afectan al proceso de metamorfosis, hacen de los lisanfibios grandes bioindicadores del estado de salud de los ecosistemas.

REFERENCIAS

Se han consultado las siguientes fuentes durante la elaboración de esta entrada:

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Regeneración de extremidades, del ajolote al ser humano

La regeneración de partes del cuerpo perdidas o dañadas en los animales es conocida desde hace varios siglos. En 1740 el naturalista Abraham Trembley observó a un pequeño cnidario que podía regenerar su cabeza si se la cortaban, por lo que lo llamó Hydra, en referencia al monstruo de la mitología griega que podía regenerar sus múltiples cabezas si se las cortaban. Posteriormente, se descubrió que había muchas otras especies animales con capacidades regenerativas. En esta entrada hablaremos sobre estos animales.

Regeneración en el reino animal

La regeneración de partes del cuerpo está mucho más extendida entre los diferentes grupos de invertebrados que de vertebrados. Este proceso puede ser bidireccional, en el que ambos trozos del animal regeneran las partes que les faltan para generar dos animales (cómo en la hidra, las planarias, los gusanos y las estrellas de mar), o unidireccional, en el que el animal pierde una extremidad pero solo la regenera sin que se formen dos animales (artrópodos, moluscos y vertebrados). Entre los vertebrados, peces y anfibios son los que presentan mayores capacidades regenerativas, aunque muchos lagartos y algunos mamíferos pueden regenerar sus colas.

ch14f01Imagen de Matthew McClements sobre la regeneración bidireccional en planàrias, hidras y estrellas de mar. Extraído de Wolbert's Principles of Development.

La regeneración se puede dar de dos maneras distintas:

  • Regeneración sin proliferación celular activa o “morphalaxis”. En este modo, la parte del cuerpo ausente es recreada principalmente mediante la remodelación de células preexistentes. Esto es lo que ocurre en la Hydra, en la que las partes perdidas se regeneran sin la creación de material nuevo. Por lo tanto, si se secciona una hidra por la mitad, obtendremos dos versiones más pequeñas de la hidra original.
Vídeo de un experimento en el que se ha seccionado una Hydra en diferentes trozos. Vídeo de Apnea.
  • Regeneración con proliferación celular o “epimorfosis”. En éste, la parte perdida se regenera mediante proliferación celular o sea, que se crea “de nuevo”. Ésta en la mayoría de casos se produce mediante la formación de una estructura especializada llamada blastema, masa de células madre sin diferenciar que aparece en fenómenos de regeneración celular.

Casi todos los grupos de animales con capacidades regenerativas presentan regeneración con formación de blastema. Aun así, el origen de las células madre del blastema varía según el grupo. Mientras que las planarias presentan células madre pluripotentes (que pueden diferenciarse a cualquier tipo celular) repartidas por todo el cuerpo, los vertebrados presentan células específicas en cada tipo de tejido (cartílago, músculo, piel…) que sólo generaran células de los tejidos donde se encuentre el blastema.

Entre los vertebrados terrestres, las lagartijas y los urodelos son los que muestran mayores habilidades regenerativas. A continuación veremos cómo lo consiguen y las aplicaciones que esto tiene en la medicina actual.

Colas prescindibles

Cuando eres un pequeño animal que está siendo perseguido por un gato u otro depredador, probablemente te salga más rentable perder tu preciada cola a perder tu vida. Algunos vertebrados terrestres han evolucionado siguiendo esta filosofía, y ellos mismos pueden desprenderse de su cola voluntariamente mediante un proceso llamado autotomía caudal. Esto les permite huir de sus depredadores, los cuáles se entretienen con la cola perdida que sigue moviéndose.

 Vídeo en el que se vé cómo algunas lagartijas como este vanzosaurio de cola roja (Vanzosaura rubricauda) tienen colas de colores brillantes para atraer la antención de los depredadores. Vídeo de Jonnytropics.

La autotomía o autoamputación, se define como un comportamiento en el que el animal se desprende de una o varias partes del cuerpo. La autotomía caudal la encontramos en muchas especies de reptiles y en dos especies de ratones espinosos del género Acomys. Entre los reptiles, encontramos autotomía caudal en los lacértidos, los geckos, los escincos o eslizones y en los tuataras.

Acomys.cahirinus.cahirinus.6872Foto de un ratón espinoso del Cairo (Acomys cahirinus), un mamífero que es capaz de desprenderse de su cola y regenerarla. Foto de Olaf Leillinger.

En los reptiles, la fractura de la cola se da en zonas concretas de las vértebras caudales que de por sí están debilitadas. La autotomía se puede dar de dos formas distintas: la autotomía intravertebral, en la que las vértebras del centro de la cola tienen planos de fractura transversales preparados para romperse si se les aplica suficiente presión, y la autotomía intervertebral, en la cual la cola se rompe entre las vértebras por constricción muscular.

0001-3765-aabc-201520130298-gf03Modelo tridimensional de los planos de fractura de la cola de un lagarto y la regeneración post-autotomía de un tubo cartilaginoso. Imagen extraída de Joana D. C. G. de Amorim et al.

La autotomía caudal permite huir al animal, pero le saldrá caro. Muchos reptiles utilizan la cola como reservorio de grasas y perder este almacén de energía suele ser perjudicial para el animal. Por eso se sabe que muchos lagartos, una vez ha desaparecido la amenaza, buscan su cola perdida y se la comen, para al menos recuperar la energía que tenían acumulada en forma de grasa. Además, regenerar una nueva cola es un proceso costoso energéticamente.

DSCN9467Foto de una lagartija parda (Podarcis liolepis) que ha perdido la cola. Foto de David López Bosch.

La regeneración de la cola en los reptiles difiere de la de anfibios y peces en que no se forma el blastema, y en que en vez de regenerarse realmente las vértebras caudales, se forma un tubo de cartílago. La nueva cola no es tan móvil y suele ser más corta que la original, y suele regenerarse completamente al cabo de unas semanas. La mayoría de lagartos pueden regenerar la cola varias veces, pero algunos cómo el lución (Anguis fragilis) sólo pueden hacerlo una vez. En ocasiones, la cola original no se rompe del todo pero se activan los mecanismos de regeneración, cosa que puede dar a que nos podamos encontrar a lagartijas y salamanquesas con más de una cola.

056 (2)Detalle de la cola de una salamanquesa común (Tarentola mauritanica) que ha regenerado la cola sin acabar de perder la cola original. Foto de Rafael Rodríguez.

Urodelos, los reyes de la regeneración

De todos los tetrápodos, los anfibios son los que presentan las mayores capacidades regenerativas. Durante la fase larvaria de la mayoría de especies, tanto la cola como las extremidades (si las presentan) pueden ser regeneradas tras su pérdida. La comunidad científica cree que esto se debe a que en los anfibios el desarrollo de las extremidades y otros órganos se retrasan hasta el momento de la metamorfosis. Aun así, ranas y sapos (anuros) sólo conservan sus poderes regenerativos durante su fase de renacuajo, perdiéndolos al llegar a la edad adulta.

Wood_frog_tadpoleRenacuajo de rana de bosque (Rana sylvatica) que, cómo en todos los anfibios, pospone el desarrollo de las extremidades hasta el momento de la metamorfosis. Foto de Brian Gratwicke.

En cambio, muchas salamandras y tritones (urodelos) conservan sus poderes regenerativos durante toda su vida. Aunque muchas especies presentan autotomía caudal, a diferencia de las lagartijas, los urodelos regeneran completamente, no sólo la cola, sino prácticamente cualquier tejido corporal perdido. De todas las especies conocidas, el ajolote (Ambystoma mexicanum), un anfibio neoténico que llega a la edad adulta sin sufrir metamorfosis, ha servido como organismo modelo para el estudio de la formación del blastema que precede a la regeneración.

 Vídeo en el que se habla del ajolote, este curiosos anfibio que se encuentra en grave peligro de extinción. Vídeo de Zoomin.TV Animals.

La regeneración que se da en las salamandras tiene fases genéticamente similares a las que sufren el resto de vertebrados al desarrollar los distintos tejidos y órganos durante el desarrollo embrionario. En el ajolote (y en el resto de urodelos) la regeneración después de la amputación de una extremidad pasa por tres fases distintas:

  • Curación de la herida: Durante la primera hora tras la amputación, células epidérmicas migran a la zona de la herida. El cierre de la herida se produce más o menos a las dos horas e intervienen los mismos mecanismos que en el resto de vertebrados. Aun así, la regeneración completa de la piel se retrasa hasta el final de la regeneración.
  • Desdiferenciación: Esta segunda fase comienza a las 24 horas de la amputación y es cuando se forma el blastema. Éste está compuesto por células de los tejidos especializados de la zona de amputación que pierden sus características (obtienen la capacidad de proliferar y diferenciarse de nuevo), y de células derivadas del tejido conectivo que migran a la zona de amputación. Cuando estas células de diferente origen se acumulan y forman el blastema, se inicia la proliferación celular.
  • Remodelación: Para el inicio de la tercera fase, es imprescindible la formación de un blastema con células de diversos orígenes. Una vez formado el blastema de células desdiferenciadas, la formación de la nueva extremidad sigue el mismo patrón que el de las extremidades de cualquier vertebrado durante el desarrollo embrionario (incluso intervienen los mismos genes).
A_Stages_of_zebrafish_caudal_fin_regeneration_as_longitudinal_sections.Esquema de la formación del blastema en el pez zebra (Danio rerio) otro organismo modelo. Imagen de Kyle A. Gurley i Alejandro Sánchez Alvarado.

Recientemente se han encontrado fósiles de diversos grupos de tetrápodos primitivos que presentan rastros de regeneración. Se han encontrado pruebas de regeneración de extremidades en fósiles de temnospóndilos (Apateon, Micromelerpeton y Sclerocephalus) y de lepospóndilos (Microbrachis y Hyloplesion). Esta amplia gama de géneros de tetrápodos basales que presentan regeneración y el hecho de que muchos peces también la presenten, ha llevado a muchos científicos a plantearse si los diferentes grupos de tetrápodos primitivos presentaban capacidad de regeneración y ésta se perdió en los antepasados de los amniotas (reptiles, aves y mamíferos).

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Foto de un ajolote, por LoKiLeCh.

Aun así, se cree que la información genética de formación del blastema podría encontrarse en el ADN de los amniotas aunque estaría en estado latente. De las tres fases del proceso de regeneración, la única que es exclusiva de los urodelos es la fase de desdiferenciación, ya que la fase de curación es igual a la cicatrización en el resto de vertebrados y la de remodelación es igual a la formación de extremidades durante la embriogénesis. Actualmente se están llevando a cabo multitud de estudios sobre cómo reactivar los genes latentes que promueven la formación del blastema en otros vertebrados, como por ejemplo los seres humanos.

Algunos órganos humanos como el riñón y el hígado ya tienen cierta capacidad de regeneración, pero gracias a la investigación con células madre en animales como las salamandras y las lagartijas, actualmente es posible regenerar dedos, genitales y partes de la vejiga, el corazón y los pulmones. Como hemos visto, los diferentes animales capaces de regenerar miembros seccionados encierran el secreto que podría salvar a miles de personas. Recordemos esto la próxima vez que oigamos que cientos de especies de anfibios y reptiles se encuentran en peligro por culpa de la mano del hombre.

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Referencias

Para la elaboración de esta entrada se han utilizado las siguientes fuentes: