Archivo mensual: agosto 2013

¿Te ha crecido el cerebro o te ha encogido el cuerpo?

¿Te ha crecido el cerebro o te ha encogido el cuerpo?
El tamaño del cuerpo suele evolucionar más rápido que el del encéfalo.

El encéfalo (cerebro, cerebelo y otras estructuras) del ser humano  es enorme comparado con lo que cabría esperar para un mamífero de su mismo tamaño. Esto nos enorgullece y lo vinculamos, como parece lógico, con nuestra gran inteligencia. Sabemos por los fósiles que nuestra capacidad craneal aumentó a gran velocidad, pasando de unos 500 centímetros cúbicos a unos 1.350 en tan solo tres millones de años. El tamaño del cuerpo también se ha incrementado, pero más modestamente.

Pero ¿cómo puede hablarse del tamaño “que cabría esperar“? ¿Qué significa eso?

Los animales pequeños tienen, por lo general, encéfalos proporcionalmente grandes. Los animales grandes suelen tener encéfalos relativamente pequeños. Por ejemplo, en un ratón el cuerpo pesa 40 veces más que el encéfalo; pero en el caballo pesa 600 veces más. No es que el caballo sea tonto, sino que existe una “norma” del desarrollo, y de la evolución, que relaciona ambas masas sin que la capacidades se resientan.

Pero las desviaciones de esa “norma” son numerosas. Cuando una especie tiene el “tarro” del cráneo más lleno de lo que le correspondería a su cuerpo, decimos que está encefalizada. Entonces suponemos que esa especie necesita realizar, por su modo de vida, tareas cognitivas más complejas. Rastrear, acechar, cazar y devorar es más difícil que pastar y huir, y probablemente por eso los depredadores están más encefalizados que sus presas.

Los científicos suelen pensar que las desviaciones de la proporción cuerpo / encéfalo surgen porque la selección darwiniana actúa sobre la “potencia neuronal”. Pero Jeroen B. Smaers y otros cuatro investigadores* pusieron a prueba esa suposición mediante un trabajo publicado en 2012. ¿Es realmente la evolución del encéfalo lo que determina estas variaciones? ¿Y si los animales con un encéfalo proporcionalmente grande son así porque el cuerpo se les ha reducido? Quizá los cambios en el cuerpo expliquen la mayor parte de las desviaciones.

El equipo estudió tres órdenes de mamíferos: murciélagos, carnívoros y primates. Son grupos con diferentes tipos de locomoción: los murciélagos vuelan, los carnívoros son principalmente terrestres (algunos, acuáticos) y los primates somos, salvo excepciones como la nuestra, arborícolas. Estas tres formas de moverse deben de influir en las presiones selectivas sobre el tamaño del cuerpo. Un factor previamente ignorado, según estos investigadores.

Para su estudio recopilaron datos de masa encefálica y corporal de más de 650 especies actuales y extintas. Pero si uno quiere analizar este tipo de cambios evolutivos necesita medidas de los antepasados, y casi todos son desconocidos. Esos datos hay que estimarlos, reconstruirlos. ¿Cómo lo consiguieron?

Lo primero era disponer de la filogenia de estas especies, es decir, su árbol de parentesco evolutivo. No hay problema: otros científicos trabajan constantemente realizando estos árboles, cada vez más precisos y fiables. Smaers y su equipo tomaron prestadas de publicaciones recientes las filogenias de murciélagos, carnívoros y primates.

Lo segundo era estimar la masa corporal y encefálica de los antepasados, de las conexiones entre las ramas. Smaers aporta aquí un modelo matemático de reconstrucción de ancestros que ya había desarrollado en 2009**. Este modelo, llamado “de pico adaptativo”, supone que cada especie tiene la masa corporal y encefálica óptima para su medio y su modo de vida. Si cambian, será porque la especie está “trepando” (evolucionando) hacia un pico adaptativo distinto. Teóricamente la evolución no siempre es adaptativa, sin embargo este modelo probó ser superior a otros que suponen cambios aleatorios, ya que permitió predecir con éxito los datos de especies fósiles.

Fuente: PNAS (Click para ampliar)

Fuente: PNAS (Click para ampliar)

Una vez dispusieron de medidas, filogenia, y modelo matemático, los investigadores reconstruyeron por fin los cambios de masa en el cuerpo y en el encéfalo de cada una de las ramitas evolutivas. Calculados de forma independiente, ambos factores aparecen sin embargo combinados la mayor parte de las veces. La desproporción puede ocurrir de seis formas diferentes:

a. Cuerpo y encéfalo aumentan de tamaño, pero el encéfalo aumenta más rápido (el caso humano).

b. Cuerpo y encéfalo disminuyen; el encéfalo disminuye más rápido.

c. El cuerpo aumenta, el encéfalo también pero más despacio.

d. El cuerpo disminuye; el encéfalo disminuye también pero más despacio.

e. El cuerpo aumenta; el encéfalo disminuye

f. El cuerpo disminuye; el encéfalo aumenta

En las situaciones a, d y f el resultado es la encefalización: un cerebro relativamente mayor. Justo lo contrario ocurre en b, c, y e. Pero lo más interesante para estos investigadores son las situaciones en las que el crecimiento del cuerpo se acelera respecto al encéfalo, superándole en velocidad de evolución: c y d.

Pintaron de rojo esas ramas. Las que muestran aceleración del encéfalo (a, b), las pintaron de verde. Y de violeta aquellas ramas en las que se separan ambos factores (e, f). A mayor cambio, más gruesas son las líneas. Al final se obtienen tres bonitos arbustos… donde domina el rojo.

Es decir, en la mayoría de los casos el cuerpo ha cambiado más rápido y el encéfalo ha ido rezagado. En general, el tamaño del cuerpo (adaptándose, probablemente, a distintos ambientes y estilos de vida) ha sido el primer factor cuando han ocurrido desviaciones de la “norma” en la proporción cuerpo / encéfalo.

¿Por qué? Los autores proponen algunas explicaciones.

Por ejemplo, los murciélagos han empequeñecido repetidamente porque el vuelo es energéticamente costoso; un tamaño menor resulta más económico. Sin embargo no pudieron permitirse una reducción encefálica al mismo ritmo pues la navegación, la maniobrabilidad y las necesidades de orientación de un murciélago requieren un potente “procesador”.

Cuando los primates se hacen más pequeños, el encéfalo suele disminuir ligeramente más rápido que el cuerpo, quizá porque este órgano es muy costoso de mantener y la “enanización” suele responder a una escasez de recursos alimenticios. Sin embargo, cuando los primates y también los carnívoros se hacen más grandes, es el cuerpo el que suele ganar en velocidad de evolución. Es en los carnívoros donde encéfalo y cuerpo muestran mayor capacidad de evolucionar independientemente. Pero, de nuevo, el cuerpo lo hace más rápido que el encéfalo.

El trabajo de Smaers y colaboradores, aun con las limitaciones que supone usar un modelo matemático determinado, consigue debilitar la hipótesis convencional. No es la selección natural a favor de un cerebro potente la que produce siempre los casos de encefalización; en muchos de estos casos simplemente el cuerpo ha encogido. El rápido aumento de la capacidad craneal en el linaje humano, representado en el árbol primate como una ramita verde pequeña pero gruesa, no parece lo más típico. Los caminos evolutivos se muestran complejos y no parece haber reglas simples y rígidas. Hay bastantes “ramas verdes” de aceleración del encéfalo pero, en general, parece que el tamaño del cuerpo es algo que la evolución modifica con mayor urgencia.

Referencias:

*Smaers J.B.,Dechmann D., Goswami A., Soligo C. & K. Safi. (2012) Comparative analyses of evolutionary rates reveal different pathways to encephalisation in bats, carnivorans and primates. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. doi: 10.1073/pnas.1212181109

**Smaers JB, Vinicius L (2009) Inferring macro-evolutionary patterns using an adaptive peak model of evolution. Evol Ecol Res 11:991–1015.

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Este post ha sido realizado por @Paleofreak y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

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“Explorando el universo” por Agustín Sánchez Lavega

Sánchez Lavega

Este texto de Agustín Sánchez Lavega apareció originalmente en el número 6 de la revista CIC Network (2009) y lo reproducimos en su integridad por su interés.

La contemplación del cielo y de los astros que vemos proyectados en la bóveda celeste a los ojos desnudos de las culturas ancestrales, fue seguramente una de las primeras actividades humanas. Los movimientos aparentes de los objetos celestes, en particular el ciclo diurno y nocturno del Sol y el anual con sus estaciones, así como los movimientos de la Luna y sus fases, fueron usados como referencia (y la siguen siendo hoy en día) para fijar las escalas del tiempo con los que sistematizar las labores humanas. Sirvieron para establecer un calendario con el que regir las actividades agrícolas, tan importantes en aquella época, y las religiosas. Fueron los astrónomos babilónicos, en el tercer milenio A.C., los primeros encargados de medir y registrar todos estos fenómenos. Caminos parecidos siguieron en sus albores las culturas más florecientes: egipcios, mayas e incas, chinos, hindúes… La imaginería humana buscó en el cielo y en sus astros una representación de los diversos mitos y creencias (de ahí las constelaciones, que en todas las culturas existen). Continuar leyendo


Los lagos de Wada: un problema de topología

Imagina un mapa formado por tres países. Los países son abiertos –es decir, la frontera de un país no forma parte de él– y conexos –de una única pieza–. Dos de los países pueden compartir frontera, incluso los tres pueden hacerlo:

 

 1

 

 

En un mapa ‘normal’ –¿cómo el dibujado arriba?– la intuición dice que los puntos frontera en los que concurren los tres países deben ser pocos… 

Pero la intuición engaña a veces: de hecho, existen mapas en los que estos puntos son ‘muchos’. Un ejemplo muy conocido es el de los lagos de Wada, introducido en el artículo* y que lleva el nombre del topólogo Takeo Wada, profesor de Kunizô Yoneyama. Lo describimos a continuación. 

Vamos a construir un mapa formado por tres conjuntos abiertos disjuntos y conexosi, y lo sorprendente de la configuración que vamos a describir es que la frontera de los tres países –en realidad van a ser lagos, de allí el nombre del ejemplo–… es la misma y consta de ‘muchos’ puntos. 

Comenzamos con un cuadrado de lado 1 y abierto, formado sólo por zona seca.

2 

 Vamos a cavar tres lagos en este territorio siguiendo una regla muy precisa: 

“Durante el día n = 1, 2, 3,…, debe extenderse el lago n (mód 3)ii de manera que pase a distancia menor que 1/n de todas las zonas secas que quedan. Esta construcción debe hacerse de manera la tierra seca resultante tenga interioriii conexo y cada lago sea un conjunto abierto.” 

Para entenderlo mejor, vamos a describir lo que sucede en los primeros díasiv

  1. Se construye un lago azul de anchura 1/3 y longitud 2/3: la distancia de cualquier punto de zona seca al lago es menor que √2/3.

 

3 

  1. Se construye un lago rojo de anchura 1/32 como muestra la figura: la distancia de cualquier punto de zona seca al lago rojo es menor que √2/32.

 

4

 

  1. Se construye un lago verde de anchura 1/33 como muestra la figura: la distancia de cualquier punto de zona seca al lago verde es menor que √2/33.

 

5

 

  1. Se extiende el lago azul –recordar que los lagos deben ser conexos– mediante un canal de anchura 1/34: la distancia a cualquier punto de zona seca es menor que √2/34.

 6

  1. Se extiende el lago rojo mediante un canal de anchura 1/35: la distancia a cualquier punto de zona seca es menor que √2/35. La figurav muestra como se construyen estos canales. 

El proceso continúa de este modo, y tras un número infinito de iteraciones –de días en los que los lagos se van ampliando con canales– quedan socavados tres lagos –azul, rojo y verde– que, por construcción, son conjuntos abiertos y conexos. Y también por construcción, puede demostrarse que la zona seca resultante –que es no vacía y tiene infinitos puntos– es la frontera de los tres lagos

¡Un precioso y paradójico ejemplo topológico!

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Notas:

*  Kunizô Yoneyama, Theory of Continuous Set of Points, Tôhoku Mathematical Journal 12, 143-158, 1917

i Son conceptos topológicos: de manera informal, un conjunto es abierto cuando no tiene ningún punto en común con su frontera y es conexo cuando es de una sola pieza.

ii n ≡ 0 (mód 3) si n es múltiplo de 3, n ≡ 1 (mód 3) si el resto de la división de n por 3 es 1 y n ≡ 2 (mód 3) si el resto de la división de n por 3 es 2. Por lo tanto, hablamos de tres lagos.

iii El interior de un conjunto es el conjunto sin sus puntos frontera.

iv No hay una única manera de hacerlo. La regla sólo precisa los detalles básicos.

v La figura muestra las cinco primeras etapas de la construcción de los lagos de Wada 

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Sobre la autora: Marta Macho Stadler es profesora de Topología en el Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU, y colaboradora asidua en ZTFNews, el blog de la Facultad de Ciencia y Tecnología de esta universidad.


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