El colémbolo podría haber sido el primer animal en desarrollar proteínas anticongelantes
La capacidad de sobrevivir en el hielo y la nieve se desarrolló en los animales mucho antes de lo que pensábamos
El globo estaba caliente y húmedo. El mar estaba lleno de vida. Los primeros calamares, peces parecidos a anguilas y gusanos marinos cazaban animales más pequeños. En la superficie, sin embargo, nada se movía. Los animales aún no habían llegado a tierra.
Así era la Tierra hace unos 450 millones de años, al final del período Ordovícico.
El agua cálida creó las condiciones de vida perfectas para la vida silvestre. Pero esto pronto cambiaría. Poco después, las masas de tierra comenzarían a congelarse y comenzaría a extenderse una capa de hielo.
El agua, que antes había sido cálida y acogedora para la vida silvestre, se volvió fría e inhóspita. Sucumbió una especie tras otra. En un corto período de tiempo, la mitad de toda la vida había sido eliminada como parte de la segunda peor extinción masiva en la historia del planeta.
Uno de los animales que sobrevivió, sin embargo, fue el colémbolo. Un pequeño animal parecido a un insecto que había desarrollado una estrategia especial para combatir el frío. Las células del animal habían comenzado a producir proteínas que podrían proteger a la célula de la congelación.
El colémbolo podría haber sido el primer animal en desarrollar proteínas anticongelantesproteínas anticongelantesproteínas anticongelantes. Los científicos creían anteriormente que los animales no empezaron a hacer esto hasta mucho más tarde. Así lo demuestra una investigación de la Universidad de Aarhus y la Universidad de Queen en Canadá.
"Sabíamos que las proteínas anticongelantes se habían desarrollado independientemente unas de otras varias veces durante la historia evolutiva. Los peces las tienen. Los insectos las tienen. Algunas arañas las tienen. Pero hasta que vimos estos resultados, no sabíamos que se habían desarrollado tan temprano en el mundo animal", dice Martin Holmstrup, profesor del Departamento de Ecociencia de la Universidad de Aarhus y uno de los investigadores detrás del nuevo estudio.
Imagen: La vida en el período Ordovícico era muy diferente a la actual. La tierra era árida y desprovista de vida, pero el mar estaba repleto. Los calamares y las anémonas de mar, que se pueden ver en la ilustración, dominaban especialmente. Pero los colémbolos también existían en esta época. Crédito: Fritz Geller-Grimm / Wikimedia Commons
Los colémbolos se pueden encontrar en todas partes, incluido el jardín
El colémbolo es un animal pequeño y las especies más grandes de colémbolo miden sólo seis milímetros de largo. Tiene seis patas y dos antenas al frente. A primera vista parece un insecto, pero no lo es. De hecho, tiene su propia rama en el árbol evolutivo.
Hasta ahora, los investigadores han encontrado más de 9.000 especies diferentes de colémbolos y se pueden encontrar en casi todas partes, incluso en el jardín. Los colémbolos suelen vivir en las capas superiores del suelo o en el follaje caído, donde se alimentan de hongos microscópicos, bacterias y otros microorganismos.
El animal toma su nombre (springtail en inglés) de su cola bifurcada que sostiene debajo del cuerpo como la barra de una catapulta. La cola también se conoce como furcula y el animal puede soltarla rápidamente y saltar hasta 10 centímetros en el aire si es atacado por un enemigo, por ejemplo una araña.
Los colémbolos son buenos para la salud del suelo porque ayudan a recircular los nutrientes a las plantas.
Pequeños animales en placas de Petri
Martin Holmstrup cuida en el laboratorio casi 20 especies diferentes de colémbolos. Los animales pequeños no necesitan mucho espacio. Una colonia entera puede vivir en un solo recipiente de vidrio, afirma.
"Los guardamos en placas de Petri con una base de yeso que podemos mantener húmedos. Como alimento, les damos un poco de levadura seca. Eso es básicamente todo lo que necesitan", dice.
Los colémbolos del laboratorio de Martin fueron los que se utilizaron en el experimento. Envió muestras de los animales a tres colegas en Canadá, quienes realizaron una serie de experimentos moleculares para descubrir cuándo desarrollaron por primera vez la proteína anticongelante los animales.
Como los investigadores conocen la secuencia de ADN que permite a las células producir la proteína anticongelante, pueden buscar la misma secuencia en todas las especies, familias y rangos. También pueden calcular cuándo se produjo la mutación que dio lugar a la génesis del gen: el período Ordovícico.
"Los cálculos muestran que los colémbolos desarrollaron la proteína anticongelante mucho antes que otros animales. No les ocurrió a los peces ni a los insectos hasta un millón de años después. Aunque las plantas y los microorganismos, como las bacterias y las algas unicelulares, podrían haber desarrollado antes un mecanismo similar incluso", afirma.
Imagen: Los colémbolos vienen en muchas formas y tamaños, y hay más de 9.000 especies diferentes. Y estas son sólo la cantidad de especies que hemos descubierto. Los investigadores estiman que existen el doble, si no más, de especies de colémbolos. Crédito: Andy Murray / Wikimedia común
Cómo encontrar colémbolos
Martin Holmstrup y sus colegas del Departamento de Ecociencias recolectaron ellos mismos los colémbolos para el laboratorio. Estaban reunidos en Dinamarca, Islandia y Groenlandia.
No son tan difíciles de encontrar, incluso puedes encontrarlos en tu propio jardín. Simplemente sigue estos pasos:
1. Toma un puñado de tierra o follaje de tu jardín y colócalo en un colador.
2. Coloca una lámpara ajustable sobre el colador y coloca una bandeja debajo del colador.
3. El calor de la lámpara hará que los colémbolos busquen ambientes más fríos. Esto hará que caigan a través del colador y caigan en la bandeja, donde los encontrarás arrastrándose.
Encapsula y ralentiza los cristales de hielo
Aunque puedes encontrar colémbolos en casi cualquier parte del mundo, son más numerosos en el Ártico que en cualquier otro lugar. Sólo un pequeño número de otros animales terrestres pueden sobrevivir al frío de Groenlandia y Canadá, lo que significa que los colémbolos pueden alimentarse de bacterias y hongos sin ser molestados.
"Las potentes proteínas anticongelantes de los colémbolos les permiten sobrevivir en regiones frías donde sólo tienen que compartir alimentos con algunos otros gusanos e insectos. Y no tienen muchos enemigos naturales", afirma Martin Holmstrup.
En invierno, cuando las temperaturas bajan en el Ártico, los colémbolos comienzan a producir proteínas anticongelantes. También se les llama "proteínas fijadoras de hielo" porque pueden adherirse a la superficie de pequeños cristales de hielo y evitar que crezcan. Los animales terrestres entran en estrecho contacto con los cristales de hielo cuando el suelo se congela, por lo que las proteínas anticongelantes desempeñan un importante papel para evitar que el hielo se propague hacia el animal y lo mate.
"Al igual que nosotros, y la mayoría de los otros animales, los colémbolos no pueden sobrevivir si su "sangre" se congela. Las proteínas anticongelantes ayudan a prevenir esto", dice.
Seco como una pasa
Sin embargo, esta proteína especial no es la única capacidad que hace posible que los colémbolos sobrevivan en el duro frío del Ártico. Tienen otro as bajo la manga.
"Debido a que todo ser vivo tiene moléculas de agua dentro de sus células, somos vulnerables a temperaturas bajo cero. Si el agua se congela, las células se destruyen. Para evitarlo, el colémbolo se seca y entra en hibernación durante el invierno", explica Martin Holmstrup.
Cuando los colémbolos hibernan, su metabolismo se vuelve tan lento que los científicos no pueden medirlo. Sin embargo, cuando llega la primavera, vuelven a absorber agua en el cuerpo y reinician su metabolismo.
"Puedes compararlos con una uva que se seca hasta convertirse en una pasa en un proceso que recuerda a la liofilización. En invierno los colémbolos se encogen y se convierten en pequeños bichos arrugados. Y luego, cuando llega la primavera, absorben agua y vuelven a hincharse hasta alcanzar su tamaño normal", afirma.
Imagen derecha: Árbol taxonómico de colémbolos productores de proteínas anticongelantes. Se generó un árbol taxonómico para especies de los cuatro órdenes de Collembola (Entomobryomorpha, Poduromorpha, Symphypleona y Neelipleona) basado en la taxonomía NCBI.
Descubiertas en peces que deberían haber muerto congelados
Durante muchos años fue un misterio cómo ciertas especies animales podían sobrevivir en las regiones más frías del planeta. No fue hasta mediados del siglo pasado que los científicos descubrieron las proteínas anticongelantes que permitieron a los animales afrontar el frío.
Durante décadas, los científicos se habían preguntado cómo los peces árticos podían nadar en agua de mar a -1,8 grados Celsius. El punto de congelación del agua de mar es menor debido a su contenido en sal. La sangre de los peces, por el contrario, tiene un punto de congelación de -1 grado centígrado, por lo que no deberían poder evitar congelarse en el agua.
"Cómo lograron sobrevivir los peces en el agua de mar helada fue un misterio durante mucho tiempo. Sin embargo, a finales de la década de 1960, el investigador estadounidense Arthur DeVries pudo aislar las proteínas que se encuentran en los peces del Ártico, que descubrió que eran capaces de evitar que se formara hielo en las células y la sangre del pez, a pesar de que el pez había estado sobreenfriado durante toda su vida", explica Martin Holmstrup
Desde entonces, los investigadores han descubierto proteínas anticongelantes en otros animales, plantas y microorganismos. Y estas proteínas anticongelantes están siendo utilizadas ahora por la industria.
Hoy en día, las proteínas anticongelantes juegan un papel importante en la industria alimentaria
Hoy en día, muchos alimentos se compran y venden congelados. Sin embargo, el problema es que los alimentos congelados cambian si se empiezan a formar cristales de hielo. A menudo disminuyen tanto el sabor como la textura de los alimentos.
Sin embargo, esto se puede evitar mediante proteínas anticongelantes especiales, explica Martin Holmstrup:
"Los genes que codifican las proteínas anticongelantes del pescado se han copiado en cultivos de células de levadura industriales. Esto hace que la levadura produzca proteínas muy útiles, que luego se pueden añadir a diferentes alimentos", afirma.
Uno de los alimentos donde las proteínas son especialmente efectivas es el helado.
"Sé que Unilever ha utilizado las proteínas del helado porque ayudan a crear una textura realmente encantadora. El helado también se puede descongelar y volver a congelar sin que se convierta en un bloque duro de cristales de hielo. A largo plazo, este efecto podría aprovecharse en relación con la criopreservación de órganos trasplantados".
"Otras industrias, como la aeroespacial y la de turbinas eólicas, también han experimentado con las proteínas. Esperan que las proteínas puedan proteger las alas contra la congelación y la necesidad de descongelarlas".
El estudio se publica en la revista Scientific Reports: Polyproline type II helical antifreeze proteins are widespread in Collembola and likely originated over 400 million years ago in the Ordovician Period
