¡El tamaño sí que importa (para los insectos)!

En el mundo de la ciencia ficción, existen numerosos y famosos ejemplos de situaciones en las que los personajes se ven amenazados por insectos u otros artrópodos gigantes (o incluso se ven convertidos en ellos, como en “La metamorfosis”, de Kafka). Pero, ¿Es esto posible? ¿Sería la existencia de un insecto gigante un hecho factible hoy en día? En este artículo, te desvelamos los principios biológicos y anatómicos, así como las principales hipótesis, que nos explican si de verdad sería posible un mundo plagado de abejas, hormigas u arañas gigantes.

¿QUÉ LIMITA EL TAMAÑO DE LOS INSECTOS? 

Los insectos, y en general la mayoría de artrópodos, son organismos de “pequeño” tamaño. Obviamente, el calificativo “pequeño” es totalmente relativo, aunque es cierto que no encontraremos hormigas del tamaño de un elefante. Y es precisamente en este punto en el que podemos introducir el término de la alometría.

Si las hormigas fueran gigantes tendrían patas de elefante

La alometría se define como los cambios de dimensión relativa de las partes corporales correlacionados con los cambios en el tamaño total. Es, por así decirlo, una regla de proporcionalidad. Existen diferentes acepciones de este término: la ontogénica es la más famosa, esto es, los cambios en las proporciones de las partes del cuerpo a lo largo del desarrollo de un organismo. Un bebé humano, por ejemplo, tiene la cabeza mucho más grande en relación al cuerpo que un adulto debido a que, durante el desarrollo, no todas las partes del cuerpo crecen igual ni a la misma velocidad (y estas partes siempre guardarán unas relaciones de proporción que están marcadas por los genes).

Fig 1. Alometría ontogénica en humanos (Moore, 1983).

Para el caso que vamos a tratar, el término de la alometría nos interesa, sobretodo, desde un punto de vista anatómico. Los insectos y otros artrópodos están cubiertos por un exoesqueleto más o menos endurecido que recibe el nombre de cutícula, la cual se recambia periódicamente mediante procesos de muda (o ecdisis). Esta cutícula supone muchas limitaciones de crecimiento para el organismo, pues, entre otras cosas, se trata de una estructura “pesada”.

Así pues, si una hormiga creciera hasta hacerse tan grande como un elefante, el peso de la cutícula sería desproporcionado. Teniendo en cuenta, además, que los artrópodos son invertebrados y que no presentan un esqueleto interno que de solidez a su cuerpo, lo más probable es que las patas de la hormiga no aguantaran todo su peso y el animal se estampara contra el suelo. Para soportar el peso monstruoso de la cutícula, sus patas deberían ser, probablemente, tan gruesas como las de un elefante (¡o incluso más!).

Fig 2 y 3. Relación entre el crecimiento del volumen corporal y los apéndices locomotores (Imágenes extraídas de la asignatura “Árbol de la Vida”, Máster de Biodiversidad, Universidad de Barcelona).

Si su cuerpo creciera, sus patas deberían ser muchísimo más grandes para soportar todo el peso de su exoesqueleto (cada parte del cuerpo crece de forma diferente: alometría). Esto mismo pasaría con las alas: si una libélula fuera del tamaño de un águila real, debería tener unas alas de varios metros de longitud.

Problema: las partes del cuerpo no pueden crecen ilimitadamente, hay limitaciones (anatómicas y genéticas) que modulan el tamaño de cada parte u órgano en relación al organismo de forma harmónica. Existen, por lo tanto, trade-offs: no se puede alcanzar el estado óptimo de algo sin que ello vaya en detrimento de otra cosa. Es por esto que el cuerpo optimiza el crecimiento global para que todo funcione correctamente. Todo esto impediría que una hormiga creciera hasta alcanzar el tamaño de un elefante.

Artrópodos gigantes = pasto para depredadores

Aunque parezca incongruente, los artrópodos gigantes serían, probablemente, más vulnerables ante los depredadores; especialmente, durante la muda. Tras mudar la cutícula, los artrópodos pasan una fase de baja actividad al tener un cuerpo aún por madurar, por lo que podrían ser fácilmente depredados.

Fig 4. Odonato mudando. La cutícula del organismo que acaba de emerger aún no está del todo endurecida (Foto de Carlos Tovar Ⓡ).

¡Por lo visto, la cutícula supondría más desventajas que beneficios para los insectos de gran tamaño!.

Limitaciones fisiológicas: la sangre y el gran problema del oxígeno

Los artrópodos tienen un sistema circulatorio abierto: esto significa que no presentan la sangre encerrada en vasos conductores (venas o arterias), sino que ésta se encuentra en lagunas o senos llenando la cavidad corporal. ¿Qué limitación supondría esto para un insecto gigante? Al no existir un sistema de bombeo activo (una pulsación), sería muy difícil transportar la sangre a todo el cuerpo debido al efecto de la gravedad, quedando la sangre estancada.

Fig 5. Sistema circulatorio general de un insecto (H. Weber, Grundriss der Insektenkunde, (1966)).

Por otro lado, respiran mediante sistemas pasivos. En el caso de los insectos, los órganos respiratorios se conocen como tráqueas: no presentan un sistema de entrada activa del aire dentro del cuerpo (como los pulmones y el diafragma en los vertebrados), sino que éste entra a través de pequeños orificios situados a los lados del cuerpo y viaja pasivamente hasta el interior del organismo, donde contacta con las células.

Fig 6. Esquema de una tráquea, la cual contacta con las células transportándoles el oxígeno (Imagen extraída de los Apuntes de “Árbol de la Vida”, Máster de Biodiversidad, Universidad de Barcelona).

Basándonos en esto, un insecto gigante tendría unas tráqueas de un diámetro tan grande que la entrada de oxígeno pasivamente se vería limitada, necesitando, pues, un mecanismo que forzara su entrada para evitar que se ahogaran; por otro lado, la concentración de oxígeno atmosférica actual (21%) no sería suficiente para oxigenar un organismo tan grande mediante un sistema tan simple.

Fig 7. Las tráqueas son cada vez más grandes y es más dificil transportar el oxígeno hasta las células (Imagen extraída de los Apuntes de “Árbol de la Vida”, Máster de Biodiversidad, Universidad de Barcelona).

Cabe decir que todas estas limitaciones se atenúan en los artrópodos que viven en ambientes acuáticos (como los crustáceos), donde el peso de la cutícula y la difusión del oxígeno no suponen un problema tan grande para el crecimiento de los organismos. De aquí que los artrópodos más grandes se encuentren, sobretodo, en el medio acuático.

INSECTOS GIGANTES EN EL PASADO: ¿POR QUÉ DESAPARECIERON?

Según evidencias fósiles, los insectos alcanzaron su mayor tamaño hace 300 MA durante el final del Carbonífero e inicios del Pérmico. Uno de los ejemplos más famosos es el de la libélula Meganeura monyi, la cual podría haber alcanzado hasta los 70 cm de longitud.

Fig 8. Ilustración de Meganeura monyi (por Emily Willoughby)

Pero, ¿Por qué desaparecieron?

Del 30% al 21%

Los datos paleoclimáticos indican que la concentración de oxígeno por aquél entonces era superior al 30%, por lo que éste entraría en cantidades suficientes a través de las tráqueas. Más tarde, la concentración de oxígeno disminuyó poco a poco hasta alcanzar la concentración actual (21%), lo que podría haber conducido, al menos en parte, el decrecimiento del tamaño de los insectos.

El amanecer de las aves

A finales del Jurásico y principios del Cretácico (150MA), el oxígeno empezó a aumentar considerablemente, pero los registros fósiles existentes muestran que los insectos se hicieron progresivamente más pequeños. ¿Cómo se explica esto?

Según una hipótesis algo más reciente, esta época coincide con la aparición de las primeras aves, las cuales se alimentaban muy probablemente de los insectos más grandes; se sugiere, por lo tanto, que tuvo lugar una selección a favor de los insectos pequeños, que podían esquivar más fácilmente a sus depredadores. Pero no sólo las aves: los murciélagos y otros depredadores posteriormente podrían haber ejercido una cierta presión en la selección del tamaño de los insectos. Sin embargo, la falta de un registro fósil completo hace difícil comprobar estas hipótesis.

Fig. 9. Oropéndola de Timor o Papahigos (Sphecotheres viridis) cazando en pleno vuelo (por Mdk572, CC).

Lo más probable es que fuera una combinación de factores ecológicos y ambientales la que determinara el tamaño del cuerpo de los insectos.

La existencia de insectos gigantes, por lo tanto, tiene parte de realidad y parte de ficción. Para muchos, será un alivio que la existencia de insectos tan grandes como elefantes sea un hecho casi imposible. A los demás, siempre les quedarán las películas de ciencia ficción…

REFERENCIAS

• Apuntes obtenidos en diversas asignatura durante la realización del Grado de Biología Ambiental (Universidad Autónoma de Barcelona) y el Máster de Biodiversidad (Universidad de Barcelona).
• ABC: “el reino de los insectos gigantes”.
• Shingleton, A. (2010) Allometry: The Study of Biological Scaling. Nature Education Knowledge 3(10):2

Imagen de portada: fotograma de la película Them! (1954).

Volar hizo a los insectos mucho más diversos

La aparición de las alas en los insectos supuso un gran salto adaptativo en la historia evolutiva de estos organismos, ofreciéndoles la posibilidad de dispersarse y diversificarse por todo tipo de hábitats. Es precisamente por esto que no debería extrañarnos que se trate de órganos con muchas variaciones y modificaciones.

En el siguiente artículo, os hablaré de la aparición de las alas como elementos que hicieron a los insectos mucho más diversos, la evolución de estos órganos y sus posteriores modificaciones.

Introducción

Los insectos constituyen el grupo más diverso y con mayor éxito evolutivo de la fauna actual, siendo, además, los únicos invertebrados capaces de volar. Aunque desde su aparición en el Devónico (hace aprox. 395-345MA) su estructura corporal apenas ha cambiado, la aparición de las alas y de la capacidad de volar (junto a otros fenómenos paralelos) los hizo diversificarse rápidamente.

Línea temporal de las eras geológicas. Durante el Devónico tuvo lugar la aparición de los Hexápodos y, entre éstos, los insectos (Imagen de buglady.org).

Actualmente, el número de especies de insectos identificadas asciende a más de un millón, y se estima que quedan aún muchas más por identificar.

¿Cuándo aparecieron los insectos con alas?

Como seguramente sabréis, no todos los insectos que encontramos a nuestro alrededor tienen alas: los hay ápteros (sin alas) o Apterygota, y alados o Pterygota (cabe decir que hay algunos dentro de este grupo que, secundariamente, han perdido las alas).

El insecto con alas más antiguo conocido es Delitzchala bitterfeldensis, un organismo del grupo Palaeodictyoptera datado del Carbonífero temprano en Alemania (unos 50MA posteriores a la aparición de los insectos en el Devónico).

Representación aproximada de un Palaeodictyoptera; a diferencia de los insectos actuales, éstos tenían tres pares de alas en lugar de uno o dos (el primer par serían, posiblemente, dos lóbulos de pequeño tamaño situados cerca de la cabeza) (Imagen de Zoological excursions on Lake Baikal).

Sin embargo, los restos fósiles del insecto más antiguo conocido, Rhyniognatha hirsti (del Devónico en Escocia, procedentes del yacimiento “Rhynie Chert”), el cual no presenta alas, rebelan que éste compartía algunos caracteres con los insectos alados o Pterygota, de manera que el origen de las alas podría ser más primitivo de lo que se pensaba (del Devónico, o incluso anterior).

Lejos aún de conocer el momento exacto en el que tuvo lugar la aparición de las alas en los insectos, sí podemos afirmar que la capacidad para volar les dotó de una ventaja adaptativa enorme, permitiéndoles emprender la búsqueda de nuevos hábitats, comida y huir más fácilmente de los depredadores, diversificándolos aún más.

¿Cómo aparecieron las alas?

Las discrepancias sobre el origen y evolución de las alas en los insectos no se limita únicamente al “cuándo”, sino también al “cómo”: ¿Cómo aparecieron? ¿Qué estructuras corporales de los insectos primitivos dieron lugar a las alas?

Existen, básicamente, 4 teorías que intentan describir la aparición de las alas: teoría branquial, teoría estigmática, teoría parapodial y teoría paranotal.

Antes de nada, y para entender mejor estas teorías, necesitamos conocer los segmentos básicos en los que se divide el cuerpo de un insecto. Veamos este esquema del cuerpo de un grillo (Ortóptero):

Esquema de las partes de un Ortóptero (grillo). Hay 3 segmentos principales: 1) Cabeza, centralización nerviosa e ingestión, 2) Tórax, función locomotora, de él nacen las patas y, en los grupos alados, también las alas; dividido en tres partes: protórax, mesotórax y metatórax; 3) Abdomen, donde se concentra la mayoría de órganos. Además, también vemos los espiráculos situados en los laterales blandos del cuerpo del insecto, orificios que conectan con el sistema traqueal o respiratorio y por donde se intercambian gases con el medio. (Imagen de Asturnatura).

 

Representación del sistema traqueal o respiratorio de un insecto. Este sistema se ramifica en el interior del organismo (Imagen de M.Readey, Creative Commons).

 

Ahora sí, ¿cuáles són estas teorías?

1) Teoría branquial

Según esta teoría, los insectos alados o Pterygota primitivos eran acuáticos, pero procedían de insectos terrestres que se habrían adaptado a la vida en el agua. Estos antepasados respiraban, como los insectos de hoy en día, a través de espiráculos conectados a una red de tubos internos o tráqueas. En su paso al medio acuático, habrían desarrollado unas láminas branquiales en dichos espiráculos para respirar bajo el agua, las cuales, al migrar de nuevo al medio terrestre, habrían perdido su función primitiva y se habrían transformado en una especie de “alas”.

Según datos recientes, se considera una de las teorías más plausibles.

2) Teoría estigmática

En la región del tórax, es decir, de donde nacen las patas y las alas, los espiráculos respiratorios suelen estar cerrados, por lo que, según esta teoría, las alas podrían ser tráqueas expulsadas hacia el exterior a través de estos espiráculos torácicos (como si le diéramos la vuelta a un calcetín, y la abertura del calcetín equivaliese al espiráculo).

3) Teoría parapodial

Esta teoría es muy fácil de explicar: nos dice que las alas se formaron a partir de patas modificadas.

4) Teoría paranotal

Hasta hace nada era la teoría más aceptada, aunque a día de hoy compite con la teoría branquial. Según esta teoría, las alas se habrían originado por expansión de la membrana tegumentaria situada entre la parte dorsal y la ventral del cuerpo (es decir, la única línea membranosa y blanda situada en los costados del cuerpo).

Estas expansiones reciben el nombre de “paranotos” (de ahí el nombre de la teoría).

Primitivo vs moderno: Paleópteros y Neópteros

En la actualidad, la mayoría de insectos presenta únicamente uno o dos pares de alas situadas en el mesotórax y el metatórax respectivamente (segmentos medio y posterior del tórax), y no tres como sus antepasados.

La forma como se articulan los dos pares de alas y su posición en el tórax nos permite diferenciar dos grandes grupos de insectos alados o Pterygota en la actualidad: Paleópteros y Neópteros.

Paleópteros

Por lo general, los paleópteros no pueden doblar las alas y replegarlas sobre el abdomen (condición primitiva), y los dos pares de alas son similares tanto en tamaño y función, como en la disposición de las venas que las recorren. Dentro de este grupo encontramos a las efémeras (de las cuales os hablé en el artículo sobre bioindicadores del mes pasado), los odonatos y los ya extintos paleodictiópteros.

Ejemplar de odonato posado con las alas (ambas iguales) desplegadas debido a su incapacidad para replegarlas sobre el abdomen (Foto de Ana_Cotta en Flickr, Creative Commons).

Neópteros

En este grupo se sitúa todo el resto de insectos con alas. A diferencia de los anteriores, los neópteros tienen “articulaciones” que les permiten plegar las alas sobre el abdomen; además, las alas no son siempre iguales y pueden asumir otras funciones diferentes al vuelo.

Las alas de muchos neópteros han sufrido modificaciones secundarias, las cuales han diversificado aún más a los insectos voladores.  A continuación, os hablaré de algunas de estas modificaciones.

Ejemplar de díptero con las alas plegadas sobre el abdomen gracias a su articulación con el tórax (Imagen de Sander van der Wel en Flickr, Creative Commons).

Modificaciones secundarias de las alas en los Neópteros

Dado que las alas han supuesto una ventaja adaptativa enorme para los insectos, no es de extrañar que se trate de elementos sujetos a muchas modificaciones.

Por lo general, uno de los dos pares de alas siempre asume la función principal del vuelo y el otro par se subordina. Esta subordinación puede expresarse de varias formas: bien sin modificaciones externas aparentes (el par subordinado se limita a asistir al par principal en la función de vuelo) o bien modificándose secundariamente para asumir una nueva función.

Algunos Neópteros han experimentado modificaciones drásticas en alguno de los dos pares de alas, asumiendo éstas nuevas funciones:

COLEÓPTEROS (escarabajos): las alas anteriores, conocidas como élitros, están muy endurecidas y protegen el resto del cuerpo cuando están plegadas. Las alas posteriores asumen la función de vuelo.

Coleóptero alzando el vuelo. Se pueden apreciar las alas anteriores convertidas en élitros (alas endurecidas) y las alas posteriores que asumen la función del vuelo (Foto de Matthew Fang en Flickr, Creative Commons).

HETERÓPTEROS (pulgones, cigarras, chinches): las alas anteriores, conocidas como hemélitros, no están completamente endurecidas como en los coleópteros: únicamente la parte superior se endurece, dejando la parte inferior de consistencia membranosa.

Ejemplar de Kleidocerys reseda (Foto de Mick Talbot en Flickr, Creative Commons).

POLINEÓPTEROS: En los dos casos anteriores, el endurecimiento conlleva una pérdida de la venación típica de las alas; en los polineópteros (p.ej. cucarachas), las alas anteriores son más duras que las posteriores, pero conservan su venación.

Ejemplar de Periplaneta americana (cucaracha americana). Las alas están surcadas de venaciones (Foto de Gary Alpert, Creative Commons).

DÍPTEROS e HIMENÓPTEROS (moscas y mosquitos; avispas, abejas y hormigas): tiene lugar el proceso contrario y la función de vuelo la asumen las alas anteriores, mientras que el segundo par se reduce o, incluso, se modifica, llegando a no aparecer. En las moscas, p.ej, el segundo par ha dado lugar a los halterios o balancines, órganos de equilibrio.

Ejemplar de tipúlido (Tipulidae). Los halterios (círculo rojo) se encuentran detrás de las alas anteriores (Foto de dominio público).

OTRAS MODIFICACIONES: También podemos hablar de variaciones en la forma, la pigmentación, aparición de pelos o escamas, o incluso de las variaciones según el sexo, la jerarquía o la geografía (p.ej, hormigas, termitas, etc.).

.              .             .

El origen y evolución de las alas es un tema aún por resolver. Mas, independientemente del momento y la forma cómo se desarrollaron a partir de organismos primitivos, es indiscutible el hecho de que se trata de órganos con un papel clave en la evolución y diversificación del conjunto.

REFERENCIAS

• Apuntes de la asignatura “Biología y Diversidad de Artrópodos” impartida por José Antonio Barrientos cursada durante los estudios del Grado en Biología Ambiental (Universidad Autónoma de Barcelona).
• Rivas P., Martínez M.L. Paleontología de Invertebrados. Sociedad Española de Paleontología, Instituto Geológico y Minero de España, Universidad de Oviedo, Universidad de Granada. IGME, 2009.
• Información sobre fósiles: palaeos.com.
• Vargas P., Zardoya R. El árbol de la vida: sistemática y evolución de los seres vivos. P. Vargas Gómez, 2012.

Foto de portada por USGS Bee Inventory and Monitoring Lab (Creative Commons).