El parpadeo es crucial para el ojo. Así es como los animales limpian sus ojos, los protegen e incluso se comunican. Pero, ¿cómo y por qué se originó el parpadeo? Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de Seton Hill y la Universidad Estatal de Pensilvania estudiaron al saltamontes, un pez anfibio que pasa la mayor parte del día en la tierra, para comprender mejor por qué el parpadeo es un comportamiento fundamental para la vida en la tierra.
Aunque los saltadores de lodo están relacionados lejanamente con los tetrápodos, el grupo que incluye a los humanos y otros vertebrados de cuatro extremidades, los investigadores creían que estudiar a los peces podría revelar cómo evolucionó el parpadeo a medida que estos animales comenzaron a moverse en la tierra.
El equipo de investigación, que incluía a varios estudiantes universitarios, publicó sus hallazgos en el artículo, «El origen del parpadeo tanto en Mudskippers como en Tetrapods Is Linked to Life on Land», en Actas de las Academias Nacionales de Ciencias.
«Al comparar la anatomía y el comportamiento de los saltadores de lodo con el registro fósil de los primeros tetrápodos, argumentamos que el parpadeo surgió en ambos grupos como una adaptación a la vida en la tierra», dijo Tom Stewart, profesor asistente en Penn State y autor del artículo. . «Estos resultados nos ayudan a comprender nuestra propia biología y plantean un conjunto completo de nuevas preguntas sobre la variedad de comportamientos de parpadeo que vemos en las especies vivas».
Rompiendo Parpadeo
Los Mudskippers parpadean succionando el ojo hacia abajo en la cuenca del ojo. Sin embargo, la evolución de este comportamiento no requirió la evolución de muchas partes nuevas, como nuevos músculos o glándulas especiales. En cambio, los mudskippers usan su conjunto existente de músculos oculares de una manera nueva.
«Este es un resultado muy emocionante porque demuestra que la evolución de un comportamiento nuevo y complejo se puede lograr utilizando un conjunto de estructuras relativamente rudimentario», dijo Brett Aiello, ex becario postdoctoral en Agile Systems Lab y ahora profesor asistente en Seton. Colina.
A continuación, el equipo de investigación se dispuso a determinar por qué parpadean los saltadores de lodo. En una serie de experimentos, descubrieron que los saltamontes parpadean para tres funciones principales: humedecer, limpiar y proteger el ojo. Estas funciones también son la razón por la cual los humanos y otros vertebrados terrestres parpadean.
«Descubrimos que se puede implementar un solo comportamiento para lograr tres funciones complejas y distintas», dijo Aiello. «Estos resultados no solo ayudan a los humanos a comprender nuestra propia historia, sino que también nos ayudan a reevaluar las adaptaciones necesarias para las principales transiciones en la historia evolutiva de los vertebrados, como pasar del agua a la tierra».
El parpadeo no es solo una pregunta de investigación única, sino también un mecanismo importante para comprender, según Saad Bhamla, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y autor del artículo.
«Todos parpadeamos sin pensar, y entender por qué parpadeamos es un hermoso rompecabezas justo frente a nuestros ojos», dijo Bhamla. «A través de nuestra investigación sobre saltadores de lodo y mediante la realización de análisis biofísicos y morfológicos, exponemos cómo el parpadeo cumple una multitud de funciones para adaptarse a la vida fuera del agua».
Estudiantes universitarios atractivos
Para explorar tales preguntas abiertas, los investigadores participaron en el programa de Proyectos Verticalmente Integrados (VIP), que permite a los estudiantes realizar proyectos de investigación a largo plazo y a gran escala como parte de sus cursos en Georgia Tech.
«La estructura del curso VIP empodera a los estudiantes para que realmente se apoyen en su propia creatividad e impulsen el proyecto en las direcciones que les resulten más emocionantes», dijo Aiello. «Ayuda a nuestros estudiantes a adquirir la capacidad de resolver problemas desconocidos sobre el terreno a medida que surgen: muchas personas se convierten en científicos para llevar la investigación a un lugar donde nadie más ha intentado llegar antes».
La estructura VIP es inherentemente multidisciplinaria. Si bien Aiello es biólogo, la mayoría de los estudiantes eran ingenieros y aportaron su respectiva experiencia. Manognya Sripathi se especializó en ingeniería biomédica con especialización en ciencias de la computación y ofreció su experiencia única al problema del saltador de lodo.
«Usé mis habilidades informáticas para recopilar datos sin procesar y analizarlos y trazarlos usando programas como MATLAB o Python», dijo Sripathi. «También usé habilidades de ingeniería para ayudar a construir el equipo experimental, lo que nos permitió aplicar métodos de ingeniería para estudiar un problema biológico de una manera única».
Más allá de Mudskippers
La investigación no solo amplió el conocimiento de los saltadores de lodo, sino que también contribuyó a las aspiraciones futuras de cada estudiante. Por ejemplo, la trayectoria de Kendra Washington estuvo influenciada por los dos semestres que pasó en el laboratorio.
«VIP me acercó a las áreas de programación y dispositivos de mi especialización en ingeniería biomédica y solidificó por qué elegí una especialización en informática», dijo. «Seguí buscando esa fusión a través de pasantías e investigaciones posteriores, y ahora trabajo con monitoreo hemodinámico. Pero en cierto sentido, todavía ayudo a caracterizar la fisiología a través de la programación».
VIP también amplió el conocimiento y la experiencia científica de los estudiantes que los han impulsado mucho más allá del laboratorio. Hajime Minoguchi, graduado en ingeniería biomédica, ahora trabaja como ingeniero de investigación y desarrollo de integración de sistemas gracias a su experiencia en la clase.
«Trabajar en un equipo interdisciplinario como este me ha permitido aprender a comprender y comunicar ideas entre disciplinas, lo que me permitió ser un ingeniero más completo», dijo Minoguchi. «Mi trabajo requiere una comprensión profunda de la biología, los circuitos eléctricos, el software, el firmware, las interacciones mecánicas y la física. Esta experiencia VIP fue fundamental para que tuviera éxito en mi trabajo actual».
La investigación es mucho mayor que la suma de sus partes y brinda una mayor comprensión de la evolución, señaló Simon Sponberg, profesor asociado en la Facultad de Física y la Facultad de Ciencias Biológicas.
«Parpadear es un reflejo de una pregunta más grande», dijo Sponberg. «¿Cómo ocurrieron las principales transiciones evolutivas que permitieron a los organismos habitar básicamente todos los entornos de este planeta? Lo que aprendimos es que no se necesita la evolución de mucha musculatura o glándulas especializadas; la evolución puede jugar con las estructuras que ya están ahí, permitiéndoles ser utilizados de una nueva manera y para un nuevo comportamiento».
