Un prototipo de Cordado (P1Cor)

Resumen

Un prototipo de Leonardo da Vinci

Si un ingeniero tuviera que diseñar al primer Cordado que existió, debería conseguir un modelo con desplazamiento autónomo y capaz de conseguir la energía necesaria para mantener su actividad. Se diseñarán sensores que le proporcionen datos del medio para encontrar alimento con mayor facilidad, y eso obligará a tener un centro de coordinación que procese la información recibida y determine las acciones a realizar en tiempo real. Se mejorará el rendimiento si se mantienen estables las condiciones del interior del cuerpo y para ello se le añadirá un circuito cerrado de tubos por donde circula un líquido capaz de intercambiar sustancias con todas las células del cuerpo. La circulación mejora si se añade una bomba impulsora. A medida que se vaya probando se introducirán las mejoras necesarias para adaptarlo a todas las condiciones ambientales que se pueda encontrar. 

El prototipo

Figura 1. Proa de bulbo en un buque

En lo sucesivo le llamaremos P1Cor por ser el Prototipo Cordado nº 1. Con estas premisas se fijaría en un animal acuático, primitivo, en forma de cigarro puro (figura 2c) como mas tarde se diseñaron los submarinos o la proa de bulbo de los grandes buques (figura 1). Para mantener la forma se puede colocar longitudinalmente una barra consistente sobre la que se podrán sujetar diversas estructuras. A esa barra la denominaremos notocorda y será una característica exclusiva de todos los animales que se consideren cordados.

Figura 2. Secciones transversales y longitudinal del modelo

Para darle estabilidad es importante que la altura sea mayor que la anchura, de modo que una sección transversal sea una elipse con el eje vertical mayor que el horizontal (figura 2a). Se puede incrementar esa estabilidad añadiendo expansiones dorsales o ventrales en el plano de simetría (figura 2b), como por ejemplo la orza de una tabla de windsurf. Estas estructuras llegarán a ser las aletas impares de los peces.
Para que el modelo se pueda desplazar es necesario que disponga de músculos a lo largo del cuerpo que se puedan contraer y relajar. Si dispone de un solo músculo a cada lado, que recorra todo el cuerpo, será importante que cuando se contraiga el de un lado se relaje el del lado opuesto (figura 3a). Esa disposición permite ondular el cuerpo de derecha a izquierda, y a la inversa, de modo consecutivo, y la consecuencia será el desplazamiento del animal.

Figura 3. Ondulación del cuerpo según el número de miotomos

La longitud de onda coincide con la longitud del animal. Si en vez de uno hay varios músculos a cada lado (figura 3b), disminuye la longitud de onda de la ondulación creada, con lo que se logrará un movimiento sinusoide, parecido al de una anguila o una serpiente.
Para que los músculos se puedan contraer, es necesario que sus fibras se inserten sobre una superficie con cierta consistencia. Eso se logra disponiendo unos tabiques transversales, que llamaremos mioseptos, como se aprecia en la figura 4, que se apoyan en el centro sobre la notocorda. El espacio entre dos mioseptos es un miotomo y corresponde a un paquete muscular cuyas fibras se sujetan entre ambos tabiques. En la misma figura 4 se ha representado esa disposición en uno solo de los miotomos. Las contracciones musculares determinan un movimiento ondulatorio que desplaza el cuerpo del animal hacia adelante.

Figura 4. Posición de los mioseptos donde se insertan las fibras musculares

Para los desplazamientos se necesita energía, que se debe conseguir del medio. Una forma sencilla de hacerlo es realizar los desplazamientos con la boca abierta y que vaya entrando agua con todo lo que lleve en suspensión, como el plancton, que constituirá el alimento (figura 5 b). Pero para que funcione este sistema es necesario que el agua tenga salida por la parte posterior, para que no cese de entrar, pero que deje en el interior del cuerpo todo el alimento que lleva en suspensión. Eso significa que debe ser filtrada, de modo que lo sólido queda retenido y lo líquido es eliminado.

Figura 5. Prototipo mostrado la entrada y salida, del agua y del alimento

Para conseguir lo anterior, haremos que la parte anterior del tubo digestivo, la faringe, presente su pared perforada por multitud de orificios, formando una malla fina, a modo de colador (figura 5f). El agua que ha entrado por la boca es filtrada en la pared de la faringe y sale a una cavidad perifaríngea (figura 5 c.p.) que comunica con el exterior por el atrioporo (figura 5a), por donde sale el agua filtrada. Las partículas en suspensión que lleva el agua son retenidas en el interior de la faringe y se dirigen hacia el intestino (figura 5i) para ser digeridas.
Como el agua también lleva oxígeno disuelto, puede cederlo a su paso por la faringe a todas las células tanto de la faringe como de la cavidad perifaríngea. De ese modo se consigue el oxígeno necesario para los procesos metabólicos, y se puede captar el anhídrido carbónico resultante sin necesidad de ningún órgano especial. Se trata mas bien de una respiración cutánea.
En este prototipo hay dos funciones claramente delimitadas, el movimiento con desplazamiento de todo el cuerpo y la alimentación. De cada una de ellas se encarga una región del cuerpo y entre ambas van condicionando el desarrollo de otras estructuras para mejorar la eficacia del sistema. El movimiento se localiza básicamente en la parte posterior y la alimentación en la parte anterior (figura 5).
Se puede mejorar el rendimiento del modelo si dispone de sensores que lo dirijan. En un animal con simetría bilateral, los sensores deben ser pares, colocados uno a cada lado del cuerpo y en posición anterior, en la cabeza, como se muestra en la figura 6. En principio nos limitaremos a la información básica que necesita saber es: a) donde y como estoy y b) adonde quiero ir y porqué.

Figura 6. Prototipo con centro de coordinación, sensores y nervios

a) Donde y como estoy se traduce por saber en que posición estoy y que debo hacer para cambiarla. Para mantener o cambiar la posición es suficiente un sensor del equilibrio o estatorreceptor (6e).
b) Para saber adonde quiero ir es importante poder interpretar las señales que trasmite el agua que son muy variadas. Parece que la mas elemental es la interpretación de las sustancias químicas que hay en el agua y que informan, entre otras cosas, de la presencia de alimento, de amigos o de enemigos. El modelo debe aprender a interpretar el significado de las sustancias químicas, lo que nosotros llamamos olfato, que es el inicio de un lenguaje químico. Los quimiorreceptores se deben situar en posición anterior del cuerpo (6q). La capacidad de detectar la luz y distinguir objetos con fotorreceptores (6f) también es importante para la orientación. 
En los aparatos mas sencillos diseñados por el hombre, un medidor de tiempo puede hacer que un interruptor cambie su posición y así, por ejemplo, se enciende o apague una luz, se abra o cierre un grifo o haga lo mismo una puerta. Cuando el modelo es un poco mas complejo recibe varias informaciones y actúa de acuerdo con la resultante de su integración. Por ejemplo, un regador de jardín con un sensor que le informa de la hora, otro de la luz y otro de la humedad del suelo, se pone en marcha según la información recibidas. Si está lloviendo, o ha llovido hace poco y hay suficiente humedad en el suelo no se dispara, pero si la humedad es insuficiente, lo hace a una hora o cuando hay una intensidad de luz adecuadas. Para eso se necesita un centro de control y cables para recibir las informaciones y enviar las órdenes oportunas. Del mismo modo, en nuestro prototipo se necesitará ese centro de control y la comunicación con los receptores y los efectores. El centro será el encéfalo y lo situaremos próximo a los principales receptores, por tanto dorsal y anterior. De él sale la médula espinal (6m) que constituye el manojo principal de cables del que se van diferenciando todos y cada uno de los que van a los distintos órganos. Encéfalo y médula espinal van por encima de la notocorda, que les proporciona apoyo y protección.

Figura 7. Circuito abierto

Para que el modelo funcione bien es importante mantener la mayor estabilidad en las condiciones internas. En otros prototipos de animales anteriores se han probado sistemas de homogeneización que mantienen la estabilidad con el movimiento propio del animal, por simples cambios de turgencia. Se dice que tienen el sistema circulatorio abierto (figura 7), pero su eficacia es relativa y permite a los animales alcanzar tamaños relativamente pequeños y con un metabolismo mas bien bajo. Se mejora la eficacia en aquellos que disponen tubos, mas o menos largos, relacionados con un órgano contráctil o corazón. Así es que siguiendo en esta línea, en nuestro prototipo ensayaremos ya un sistema que disponga de un circuito cerrado por donde circule el liquido homogenizador.

Figura 8. Circuito cerrado

En la figura 8 vemos este diseño formado por una bomba impulsora, el corazón (8c), de donde sale un vaso (arteria, 8a) que llega a un órgano del cuerpo (8o) en cuyo interior forma una red capilar y vuelve a salir por otro tubo (vena, 8v) por donde regresa al inicio. En el interior está el líquido, que llamaremos sangre, encargado de llevar el alimento a todas las células del cuerpo y el oxígeno a aquellas a las que no llegaba el agua que circulaba por la cavidad perifaríngea. Para que funcione este sistema es necesario que el agua y las sustancias disueltas pueden entrar o salir del circuito. Las zonas previstas para ese intercambio son las redes capilares en el interior de los órganos.
Ahora bien, hay diferentes sustancias interesantes con distintas problemáticas que deben resolverse. El oxígeno y el anhídrido carbónico no se pueden almacenar en ninguna parte del cuerpo, por lo que se deben estar renovando continuamente a lo largo del día. En estas condiciones debe haber una irrigación mas bien constante en las zonas correspondientes. Sin embargo, el alimento que se obtiene del tubo digestivo solo está disponible después de haber comido y la irrigación debe ser importante en ese momento, pero no tanto durante el resto del día. Eso significa que el mecanismo debe ser capaz de poner todo el circuito en marcha o parar cuando no sea necesario. En definitiva los vasos deben tener la capacidad de estar abiertos o cerrados para modificar el flujo sanguíneo a voluntad, según las necesidades en cada momento.
Si el modelo funciona bien, lo que equivale a decir que está bien adaptado a su entorno, será el momento de hacer nuevas réplicas y aumentar el número de individuos. También se podrán ir introduciendo pequeños cambios en los modelos siguientes de tal modo que los nuevos vayan ocupando lugares distintos, en los que optimicen su rendimiento y así se va incrementando la biodiversidad y el área ocupada por todas y cada una de las especies.
De esta forma, cada modelo está en el lugar donde su rendimiento energético es óptimo, que equivale a decir que cada especie animal está adaptada a vivir en un determinado entorno. Los limites de la variación están en lo que es físicamente viable, por lo que las especies mas primitivas, que llevan mas tiempo sobre la Tierra, en general han dejado mayor numero de especies y las diferencias entre las de sus extremos son mas grandes que si ha habido menos tiempo para la diversificación. Por ejemplo, los ictiopsidos son los Cordados mas primitivos y han adoptado todas las soluciones posibles para resolver cualquier problema. Eso les ha permitido adaptarse a todos los ambientes acuáticos con todo tipo de condiciones hidrodinámicas.
Algo muy parecido a lo diseñado en estos párrafos fue el prototipo de un Cordado que surgió en un determinado lugar y en una determinada época hace unos 500 millones de años. Desde entonces, bien porque cambiaban las condiciones del medio o bien porque cambiaba de lugar, colonizando otros ambientes, fue resolviendo los problemas mecánicos que le planteaba la nueva situación. Así fueron apareciendo nuevas formas o especies, constituyendo lo que llamaré la historia de la diversificación de los Cordados.

Para ver

1. http://www.youtube.com/watch?v=j2hLvAcmwss 
Vídeo para ver y entender el sistema circulatorio. Duración 9,56'