Los huevos de la ampularia, un
caracol ampliamente conocido en la cuenca del Plata, tienen un sistema
químico de defensa único entre los animales, que resulta eficaz ante
todos los predadores, salvo ante una especie de hormiga.
La ampularia o caracol manzana
Los huevos de los animales, con sus nutritivas reservas de las que se
alimenta el embrión, son comida preferida de muchos predadores. Pero
hay excepciones: una que consideraremos en esta nota está constituida
por los huevos del caracol de agua dulce comúnmente llamado ampularia o
caracol manzana (Pomacea canaliculata). Seguramente la mayoría de los
lectores de Ciencia Hoy lo conocen, ya que es un molusco abundantemente
representado en lagunas, bañados, esteros, arroyos, canales y hasta
zanjas con nutrida vegetación de la mayor parte de la cuenca del Plata.
Integra una especie nativa de Sudamérica que se ha convertido en
plaga para la agricultura de varios países del sudeste asiático. La
caparazón pardo-amarillenta de sus adultos alcanza unos cinco
centímetros de diámetro y estos viven unos dos años: rara vez superan
los dos inviernos, a diferencia de los de otra especie muy semejante del
mismo género (P. maculata), que habitan la misma cuenca y la amazónica,
y pueden vivir cuatro años.
Las ampularias depositan sus huevos fuera del agua, en llamativas
masas de brillante color rosado que se suelen advertir en rocas, juncos,
ramas o postes, y que la sabiduría popular identifica equivocadamente
como huevos de sapos o ranas. Una sola hembra de caracol puede depositar
entre mil y diez mil huevos en su vida, a los cuales, a pesar de
contener gran cantidad de azúcares y proteínas –llamadas perivitelinas–,
solo se les conoce un predador confirmado: la hormiga de fuego o
colorada (Solenopsis geminata). Esto se debe a que algunas de dichas
proteínas serían tóxicas para otros potenciales predadores, como la que
confiere a los huevos el mencionado color rosa intenso, el cual salta a
la vista en el medio y sería interpretado por los potenciales predadores
como señal de advertencia.
Las ampularias son muy resistentes a condiciones ambientales adversas
debido a una combinación de características bioquímicas, anatómicas,
fisiológicas y de comportamiento. Sobreviven por semanas y hasta meses a
desecación, baja concentración de oxígeno en el agua y privación de
alimentos. Además de la branquia que les permite tomar oxígeno del agua,
poseen una especie de pulmón al que llega aire aspirado por un largo
tubo llamado sifón, semejante a un snorkel de buceo. La combinación de
cuasipulmón y branquia es una adaptación evolutiva a hábitats con aguas
pobres en oxígeno.
Ampularia
o caracol manzana (Pomacea canaliculata). Como todos los caracoles, se
apoya sobre el pie que se advierte en la parte inferior. Este caracol
particular es anfibio y puede respirar aire gracias a un sifón (que
sobresale hacia la derecha) y una ampolla que oficia de pulmón. Hacia
la izquierda se extienden los tentáculos cefálico y labial.
Llegan
a la madurez sexual en un lapso de entre dos y cuatro meses y, a
diferencia de los caracoles de jardín que son hermafroditas, tienen los
sexos separados. Se reproducen en el agua, luego de una copulación que
dura hasta veinte horas. La hembra puede almacenar el esperma durante
toda la estación reproductiva, que en la Argentina abarca desde la
primavera hasta comienzos del otoño, para ir fecundando los huevos en
tandas. Rodea cada óvulo fertilizado con una sustancia viscosa nutritiva
y protectora, llamada fluido perivitelino, y con una cáscara calcárea.
Esas envolturas son producidas y secretadas por una glándula compleja
llamada glándula del albumen.
La práctica de adherir los huevos (en masas de unos trescientos) a
soportes fuera del agua no solo está acompañada por adaptaciones
anatómicas y fisiológicas de los adultos; también las incluye en la
bioquímica de los huevos, que les permiten soportar insolación,
desecación y repeler depredadores terrestres.
Litografía de ampularias publicada en Voyage dans l’Amérique méridionale (1835), de Alcide D’Orbigny. Gentileza Biblioteca MACN
¿Quién come ampularias?
El primero en observar la falta de predadores de los huevos de ampularia
posiblemente haya sido el naturalista y explorador francés Alcide
d’Orbigny (1802-1857), que recorrió Sudamérica entre 1826 y 1833 y
relató que solo los caracoles recién nacidos y los adultos son presas de
aves acuáticas. A diferencia de los huevos, los adultos son parte de
varias cadenas alimentarias y tienen gran variedad de predadores
americanos, como caimanes (Caiman latirostris), ranas leopardo (Rana
pipiens), bagres (Bunocephalus sp.), cuervillos de cañada (Plegadis
chihi), caraus (Aramus guarauma) y ratas (Oryzomys sp.).
Sin embargo, el principal predador de estos moluscos probablemente sea
un ave rapaz, el gavilán caracolero (Rostrhamus sociabilis), que se
alimenta casi exclusivamente de ellos. Tiene un pico adaptado a retirar
los caracoles de sus conchas, de las que es común ver montículos al pie
de los postes de alambrados en que se posa. También es frecuente
encontrar en el suelo, junto a las conchas, restos de la glándula del
albumen de los caracoles hembras, la que secreta el fluido previtelino
tóxico, la cual también tiene el mencionado color rosado. El caracolero
invariablemente la descarta.
Las proteínas de los huevos del caracol manzana
Los huevos de ampularia contienen uno de los sistemas de defensa
bioquímica contra predadores más eficiente que se conoce entre los
animales. Su llamativa coloración forma parte de ese sistema, y
advertiría a los potenciales depredadores sobre la presencia de alguna
sustancia tóxica o desagradable, que sería su principal línea de
resguardo, y está dada por las proteínas del fluido perivitelino que
rodea al embrión, la mayoría de las cuales –entre ellas las denominadas
ovorrubina y PcPV2– se sintetizan en la mencionada glándula del sistema
reproductor femenino. Esas dos proteínas representan casi el 70% de
todas las que tiene el huevo y es la ovorrubina la que dota a los huevos
del color rosado. Nuestros experimentos indicarían que las toxinas del
huevo ya están activas en la glándula, lo que proporciona una
explicación bioquímica de por qué el caracolero no la come.
Caracolero
(Rostrhamus sociabilis). En la cuenca del Plata este rapaz es el
principal predador de caracoles manzana, de los que evita comer los
huevos y la glándula que produce la toxina encontrada en ellos.
Adviértase a sus pies la concha del caracol y la forma de su pico,
evolutivamente adaptada para sacar de ella el cuerpo del molusco. Foto
Cleber Ferreira, Flickr.
Las proteínas son fundamentales en
todos los procesos biológicos. Por ello, es importante comprender cómo
actúan, para lo cual necesitamos conocer su estructura interna, ya que
su función depende de esta. Si bien el fluido perivitelino del caracol
manzana contiene unas 59 proteínas, en nuestros estudios solo analizamos
en detalle las dos indicadas, que forman partículas tan grandes que se
pueden ver con microscopio electrónico. La composición química de ambas
incluye gran cantidad de azúcares, los que les confieren propiedades
como solubilidad en agua y, posiblemente, resistencia a ser digeridas.
El análisis de la secuencia de aminoácidos de las dos unidades que
forman la proteína PcPV2 reveló que una tiene ciertas semejanzas con
lectinas capaces de reconocer azúcares de membranas celulares, y la otra
se asemeja a una familia de proteínas formadoras de poros en las
membranas celulares, llamada MACPF. Ambas proteínas participan en la
respuesta inmune en otros animales, pero en al caso que nos ocupa,
combinadas, tienen función neurotóxica. Además, su estructura no se
parece a la de otras toxinas animales, pero es muy similar a algunas
toxinas de plantas, como la de la semilla del ricino y la toxina
botulínica de la bacteria Clostridium botulinum (la popular botox). La
similitud estructural de estas toxinas y la capacidad de la lectina de
unirse a cierto tipo membranas sugiere que la lectina de la PcPV2
dirigiría la mencionada unidad MACPF, que actuaría en la perforación de
membranas, si bien esto requiere aún de comprobación mediante más
experimentos.
Huevos de ampularia depositados sobre una roca. Cada grupo de huevos mide unos 5cm de largo.
Este descubrimiento permite imaginar, sin embargo, que estas toxinas
tengan aplicaciones farmacológicas en cuanto a dirigir la toxina a
tejidos específicos, como células cancerosas, aunque esto, por el
momento, es solo especulación.
Tanto la ovorrubina como la PcPV2 son resistentes a la acción
combinada de dos enzimas del sistema digestivo de muchos animales, la
pepsina y la tripsina. Utilizando una técnica llamada dispersión de
rayos X de bajo ángulo pudimos construir modelos en tres dimensiones de
estas proteínas. El estudio mostró que ambas tienen una estructura
globular, y que, pese a ser muy grandes y complejas, son estables en
medios muy ácidos o muy alcalinos, semejantes a los que existen en el
sistema digestivo de los animales.
Huevos de ampularia depositados sobre juncos de una laguna de la provincia de Buenos Aires.
Funciones de las proteínas de los huevos
Las proteínas de los huevos tienen múltiples funciones. Las del
caracol manzana, entre otras cosas, nutren el embrión en desarrollo, al
que proveen energía y aminoácidos. La ovorrubina le aporta el pigmento
astaxantina, un antioxidante quinientas veces más potente que la
vitamina E, que protegería las membranas de sus células de estrés
oxidativo. También lo defienden de la depredación, en primer lugar, por
la coloración dada por la ovorrubina, cuya acción es disuasoria. Los
patrones brillantes y contrastantes de los huevos son fáciles de
aprender a reconocer. Comunicarían la advertencia de que algo
desagradable podría ocurrir a quienes los comieran. Es un mensaje que,
evidentemente, llega a los predadores, pues, salvo una hormiga nadie los
come. Lo mismo se advierte en muchas especies fuertemente coloreadas
que suelen ser ponzoñosas, como, para tomar ejemplos de la cuenca del
Plata, la serpiente de coral (Micrurus corallinus) y las mariposas
monarca (Danaus spp.) y almendra (Heliconius spp.).
Si a pesar de la advertencia dada por el color un predador consume
los huevos, entran en acción otras armas bioquímicas. Así, se ha
comprobado que la PcPV2 es una potente neurotoxina que daña la médula
espinal de los ratones y los mata en unas treinta horas, pues les altera
el metabolismo del calcio e induce la muerte celular de grupos
específicos de neuronas de la sustancia gris medular. Los huevos de la
ampularia son los únicos conocidos con una neurotoxina de origen
proteico.
Sospechábamos que lo anterior no agotaba los mecanismos de defensa de
la ampularia, y encontramos uno adicional al observar la elevada
estabilidad estructural de la ovorrubina en un amplio rango de pH (entre
4 y 12) y su capacidad de resistir la digestión gastrointestinal
simulada. Esto nos sugirió que podría llegar al intestino de los
potenciales depredadores de manera biológicamente activa. Por esta vía,
la ovorrubina sería antinutritiva, ya que el predador no podría
digerirla y así aprovechar los nutrientes del huevo. También hallamos
que las proteínas del huevo poseen acción antidigestiva por la vía de
inhibir la tripsina intestinal. Estudiamos este mecanismo administrando a
ratas ovorrubina como suplemento dietario –e incluso suministrándoles
un extracto completo de huevo–, y pudimos comprobar que la velocidad de
crecimiento de esos roedores disminuyó.
Las funciones de la ovorrubina no terminan aquí. Por ejemplo, debido a
la cantidad de azúcares que la componen, atrapa agua y evita la
deshidratación de los huevos expuestos al sol. Además, su pigmento
protegería al embrión de la radiación solar.
Las más de cincuenta otras proteínas de los huevos de ampularia
todavía no fueron estudiadas, pero la comparación de sus secuencias con
las de diversos organismos permite suponer que algunas pueden actuar
como defensas contra insectos, hongos y bacterias, y que las hay que
cumplen funciones en el sistema inmune.
Ventajas de las defensas químicas de los embriones
Obreras
de hormiga de fuego (Solenopsis geminata). Miden menos de medio
centímetro y son los únicos predadores confirmados de los huevos de
ampularia.
Se puede suponer que los mecanismos de selección
natural que indica la teoría de la evolución llevaron a que, en un
ambiente hostil con presencia de predadores, aparezca este tipo de
proteínas con funciones de defensa antinutritiva, antidigestiva,
neurotóxica y de advertencia. El caracol manzana es el primer animal
conocido que defiende sus embriones con proteínas tóxicas. El sistema,
sin embargo, es frecuente en las plantas, en las que actúa en defensa de
los embriones en las semillas y frutos. Con un único depredador
conocido, las defensas de la ampularia resultan sin duda muy buenas y
rompen la regla de que algo efectivo contra un depredador suele no serlo
contra otros.
Un sistema de defensa producido íntegramente por las hembras y
transferido al huevo tiene muchas ventajas. Por un lado, evita que las
hembras tengan que comer presas con toxinas para dotar a los embriones
de defensas químicas, como hacen muchos animales
Asimismo, los restos de las defensas proteicas constituyen una
reserva que alimenta al embrión y a los recién nacidos, y contribuye al
éxito reproductivo de la especie.
Hormigas
de fuego depredan una puesta de huevos de ampularia. Fuente
http://applesnail.net/content/photographs/ fire_ants/ants_on_eggs.jpg
Estos
estudios, que comenzamos por la curiosidad de conocer la estructura de
las proteínas de reserva de los huevos, terminaron abriendo una nueva
área de estudio en ecología química, ya que no se sospechaba que esas
proteínas tuvieran funciones de protección y que fueran el escudo tóxico
contra predadores que la evolución proporcionó a las ampularias.
Si bien la adquisición de las particulares proteínas que describimos
convirtió a los caracoles manzana en animales hoy exitosos, seguramente
con el tiempo algún otro predador, además de la hormiga de fuego,
evolucione y logre vencer sus defensas, en la interminable carrera
armamentista de la coevolución de defensa y contradefensas.
Cambios de color producidos por la combinación de astaxantina con diversas proteínas.
(A)
PcPV2 es un tetrámero formado por 4 dímeros, cada uno compuesto a su
vez por una subunidad que forma poros en la membrana y una subunidad que
une azúcares, ambas unidas por un puente disulfuro. (B)
La comparación con otras toxinas sugeriría que la subunidad perforadora
sería la tóxica mientras que la lectina oficiaría de vehículo que
dirigiría la toxina específicamente hacia ciertas células.
