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Diminutos ojos de araña y visión humana
Diminutos ojos de araña y visión humana...

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Diminutos ojos de araña y visión humana

Los biólogos echan un vistazo al pasado para ver el futuro a través de pequeños ojos de araña
Los biólogos miran hacia el pasado para el desarrollo genético precoz de pequeños ojos de araña e insectos para encontrar potencial para la investigación de los desafíos visuales humanos.

Con las crecientes ventajas de la secuenciación del ADN, los biólogos de la Universidad de Cincinnati están desentrañando muchos misterios evolutivos detrás del complejo mundo de la visión de la araña.

Observar de cerca el misterioso modelo genético de cómo se desarrollaron y funcionaron estas personas está ayudando a los investigadores a ver grandes oportunidades para futuras investigaciones. Nuevos estudios podrían incluir terapias genéticas en humanos con problemas visuales como degeneración macular o cáncer de retina.

Para llegar a estas posibilidades, científicos como Nathan Morehouse, profesor asistente de biología de la UC, tuvieron que mirar hace 500 millones de años a una época llamada Período Cámbrico para poner en perspectiva la evolución de los genes del ojo araña.

"Lo que encontramos es que pasamos de artrópodos acuáticos antiguos de cuerpo blando sin ojos, o al menos ojos que no se fosilizan bien, a ojos repentinamente que se parecen a los que vemos en insectos y animales terrestres hoy, con básicamente nada entre estas etapas ", dice Morehouse.

Y por "de repente", Morehouse está hablando de un pequeño período evolutivo de 50 millones de años.

"Pero para el registro fósil, 50 millones de años es un tiempo muy corto para pasar de cero ojos a ojos como los que tenemos hoy", agrega.

Mientras que las arañas primitivas y los insectos llegaron a la tierra como dos grupos totalmente separados, es probable que hayan llevado consigo algunos de los mismos patrones de desarrollo para construir sus ojos.

"Podemos utilizar nueva evidencia genética de los insectos como punto de partida para identificar los genes importantes que controlan el desarrollo del ojo en las arañas", dice Morehouse. "Esto entusiasmará a los biólogos araña y a las personas generalmente interesadas en la visión de pensar en formas novedosas de construir una mejor visión. Todavía no estamos allí en términos de soluciones de ingeniería para construir ojos orgánicos, pero espero que eso sea en nuestro futuro".

Morehouse presentó sus hallazgos sobre la genética del desarrollo de la visión de araña en la Sociedad 2018 para la Conferencia de Biología Integrativa y Comparada en San Francisco en enero.

Esta investigación también forma parte de un proyecto más amplio publicado recientemente en la revista The Biological Bulletin, titulado "Evolución molecular de la visión de Spider: nuevas oportunidades, jugadores familiares", por Morehouse; Elke Buschbeck, profesor de biología de la UC; Daniel Zurek, becario postdoctoral en el departamento de biología de la UC e investigadores de la Universidad de Hawai en Manoa.

Previsión elegante

Este estudio colaborativo ayuda a describir los fundamentos de cómo las arañas evolucionaron de un antiguo artrópodo con un ojo compuesto con muchas facetas (las unidades sensibles a la luz de forma hexagonal que componen un ojo compuesto) a ojos múltiples con solo algunas facetas.

Una de las formas en que lo hacen, dicen los investigadores, es tomar un montón de facetas o células visuales y simplemente fusionar una lente en la parte superior. La otra es tomar una sola faceta y simplemente agrandarla y luego agregar más células sensibles a la luz hacia abajo durante el desarrollo embrionario.

"Creemos que durante el Período Cámbrico, hace más de 500 millones de años, los artrópodos antiguos tenían dos grandes ojos compuestos algo similares a las moscas de la fruta modernas", dice Buschbeck. "Pero en algún punto evolutivo y tiempo en arañas, el ojo compuesto probablemente se dividió en un par de ojos centrales o centrales en el frente y un par de ojos compuestos laterales que se encuentran en los lados de la cabeza. Pero según la evidencia que descubrimos, puede haber conservado la antigua red de genes para construirlos ".

Mientras que se sabe que los insectos y las arañas han evolucionado al mismo tiempo durante el Período Cámbrico, Morehouse dice que terminaron en lugares totalmente diferentes. Usaron el mismo kit de herramientas básicas para construir sus ojos, pero los detalles precisos de los genes son ligeramente diferentes.

"Años de cuidadosa genética del desarrollo nos han mostrado cómo las moscas de la fruta construyeron sus ojos compuestos y ojos medial -ocelli- a partir de redes de genes que interactúan", dice Morehouse. "Así que analizamos si esos genes desempeñan exactamente el mismo papel en las arañas o si los roles cambiaron. Y en las arañas encontramos el mismo modelo todavía allí, al menos en una copia aproximada".

Proyecto visual

Este fenómeno también presenta una consecuencia crítica para las criaturas miniatura de ocho ojos, ya que Morehouse dice que no pueden agregar más células fotorreceptoras a su retina una vez que la lente se coloca en la parte superior. Después de observar de cerca las células retinianas en desarrollo, los investigadores descubrieron que las arañas construyen sus ojos a medida que los embriones se completan con todas las células retinianas que necesitarán y luego se ponen las lentes en la parte superior.

Entonces, ¿cómo resuelven el problema de tener una gran cantidad de células retinales apretadas en una cabeza un décimo del tamaño de una araña adulta?

Resulta que las celdas densamente compactas tienen más píxeles que los que su lente realmente puede resolver, lo que resulta en un muestreo del mismo punto en el espacio muchas veces en lugar de una vez. Pero los pequeños pulpos pueden tener que realizar trucos ópticos inusuales para procesar su visión borrosa. Esta no es la forma "más inteligente" de diseñar un ojo, dicen los investigadores. Los diseñadores de la cámara intentan hacer coincidir la resolución del sensor de la cámara con la potencia de resolución de la lente.

"Una de las ideas más fascinantes aquí es que, debido a que comprendemos la base genética de cómo construyen estos ojos, podemos entender por qué hacen cosas como poner todas estas células retinianas en este pequeño animal", dice Morehouse. "Lo que parece una idea tonta desde un punto de vista estrictamente visual resulta ser parte del plan de ese artrópodo de 500 millones de años".

Se necesita una investigación básica como esta para comprender el intrincado desarrollo genético, pero los investigadores dicen que abre algunas oportunidades realmente geniales para la biotecnología futura.

Bebés con ojos de error

"Nunca hubiéramos contado la cantidad de células de la retina en estos diminutos juveniles si no hubiéramos sospechado esto desde el principio", agrega.

A pesar de la desventaja de tamaño y la sobrepoblación de las células, los investigadores encuentran que los juveniles hacen muchas de las cosas sofisticadas que sus hermanos mayores pueden hacer, como descifrar entre diferentes tipos de presas, como un mosquito o una mosca.

Mientras que Morehouse describe esta investigación como las etapas iniciales para comprender las ventajas y desventajas de la construcción de ojos de esta manera, ve grandes oportunidades para imitar pequeños sistemas visuales para producir sensores más pequeños que cualquier otro que se utilice habitualmente en la actualidad.

"Si tenemos que construir una lente para que sea pequeña, más pequeña que cualquier sensor en este momento y lo suficientemente pequeña como para ser tragada fácilmente como una píldora para el trabajo endoscópico, es posible que estas arañas puedan conducir a biotecnologías que nunca hubiéramos imaginado", dice Morehouse.

"Estas arañas han hecho algunas cosas realmente inteligentes en sus lentes, la forma de sus retinas y el tamaño de sus células de retina que les ayudan a superar desafíos increíbles".

Otros hallazgos sorprendentes revelaron patrones únicos para la muerte celular retinal en arañas jóvenes. Cuando las células de la retina mueren, es mucho más probable que mueran en el centro de la retina que en la periferia, lo que según los investigadores es exactamente lo que ocurre en los humanos con la edad y el problema de la degeneración macular.

"Debido a que vemos este tipo de cambios ocurriendo en las arañas saltarinas cuando se alimentan con dietas pobres, podemos descubrir cosas que nos ayuden a comprender mejor la degeneración macular y otros problemas centrados en el ser humano", dice Morehouse y Buschbeck.

Visión de araña en Marte

Si bien este proyecto aún se considera ciencia básica, Morehouse explica que la ciencia básica está limitada solo por la creatividad de la naturaleza.

Señala el Mars Rover como un ejemplo de uso de ópticas inspiradas en saltar a la visión de araña. Investigaciones previas revelaron cómo las arañas saltarinas logran una mejor agudeza de un pequeño sistema visual moviendo el sensor detrás de su lente. Esto inspiró a la NASA a construir un sensor para el Rover que se mueve detrás de las lentes de su cámara, ahora brindando mejores imágenes en Marte.

"Lo que hemos hecho aquí es utilizar información sobre la historia antigua de las arañas para buscar genes que participan en la visión y hemos descubierto que muchas de nuestras conjeturas son correctas", dice Morehouse. "Hay similitudes genéticas en los insectos que también se utilizan de manera predecible en las arañas. Esto abre todo un nuevo trabajo para comprender cómo la visión de la araña, aunque única, podría ser similar o diferente de lo que sabemos por la visión de mamíferos como la nuestra .

"De hecho, hay ideas que provienen del trabajo en moscas de la fruta que han ayudado a la salud humana, por lo que es muy posible que lo siguiente que aprendamos sobre la visión humana provenga de las arañas".


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