¿Por qué las esponjas pueden ser animales excitantes?

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Ramón Muñoz-Chápuli Oriol, Universidad de Málaga

Hay primeras veces que no se olvidan. Yo no puedo olvidar el día en que impartí mi primera lección universitaria como becario de doctorado. Me enfrenté a un centenar de estudiantes de Biología para explicarles el tema de las esponjas. Dudo mucho que consiguiera captar su atención: ¿por qué debería interesar una esponja?

Las esponjas son los animales más primitivos. Representan la primera rama del árbol evolutivo del reino animal, aunque ha habido alguna controversia reciente al respecto. Carecen de auténticos tejidos y órganos, de músculos y sistema nervioso, algo que caracteriza al resto de los animales.

Están formadas por células especializadas capaces de revertir su especialización. Parte de ellas forman canales por los que circula el agua mientras que otras, llamadas coanocitos, tienen un flagelo que produce el flujo y un collar de finas prolongaciones celulares que atrapan partículas alimenticias.

Otras células sintetizan colágeno y espículas calcáreas o silíceas, o participan en la reproducción.

¿Por qué consideramos animales a estas colecciones de células? Porque cumplen las condiciones mínimas para ello. Es decir, son seres pluricelulares, se alimentan de materia orgánica, y se reproducen sexualmente mediante óvulos y espermatozoides.

Se han descrito unas 6 000 especies de esponjas que habitan la mayoría de ambientes marinos, desde arrecifes litorales hasta profundidades de 8 500 metros, y desde zonas tropicales a polares. Algunas especies incluso se encuentran en agua dulce.

En el registro fósil ya aparecen en el periodo Ediacárico, hace más de 600 millones de años. ¿Cómo unos organismos tan simples han sobrevivido todo este tiempo y se han expandido tanto?

Una serie de recientes descubrimientos ayudan a comprender cómo las esponjas han desarrollado estrategias diferentes a las del resto de animales.

Las esponjas son fábricas de vidrio

Empecemos por algo tan aparentemente simple como las espículas silíceas que producen muchas esponjas. Están formadas por dióxido de silicio, el principal componente de nuestro vidrio.

Estas espículas se unen en ocasiones para formar delicadísimas estructuras, como el caso de Euplectella aspergillum.

Para fabricar vidrio nosotros necesitamos temperaturas superiores a los 1 400 ⁰C, mientras que las esponjas lo hacen a temperatura ambiente.

¿Cómo es posible?

En 1988 se descubrió la silicateína, una proteína que actúa como catalizadora para la condensación del dióxido de silicio amorfo en finas estructuras cristalinas. Desde entonces se ha investigado cómo es posible realizar esta reacción.

Se sabía que la silicateína se encuentra en los filamentos axiales, finísimas varillas proteicas alrededor de las cuales se deposita la sílice. También se vio que no formaba una mera plantilla pasiva para el proceso, sino que tenía actividad enzimática.

Mediante estudios con microscopía electrónica de alta resolución y cristalografía de rayos X se comprobó que la estructura molecular de las proteínas del filamento axial determinaba la forma macroscópica de las espículas, cuyas variaciones se debían a la disposición y espaciamiento de estas proteínas.

Más recientemente se ha conseguido desvelar la estructura atómica de la silicateína en su relación con los cristales de sílice. Se comprobó que su centro enzimático no estaba activo en los filamentos axiales, probablemente porque ya no se necesita cuando la espícula ha sido sintetizada.

Por tanto, el mecanismo molecular de la condensación de la sílice sigue siendo desconocido. Descubrirlo podría tener importantes aplicaciones en nanotecnologías y para la fabricación de fibra óptica.

Esponjas carnívoras

Las esponjas se alimentan de microorganismos y de partículas orgánicas capturadas por el sistema de filtración de los coanocitos, pero la realidad es bastante más compleja.

Empecemos por las esponjas carnívoras. Las pequeñas esponjas del género Asbestopluma eran conocidas por haber sido encontradas a la profundidad de 8 840 metros. ¿Cómo pueden obtener alimento en ambientes tan extremos?

Una respuesta la proporcionó el descubrimiento de una especie en una cueva mediterránea a poca profundidad, lo que permitió su observación.

Para sorpresa de los investigadores, las esponjas cavernícolas carecían de canales acuíferos y coanocitos. A cambio presentaban unos filamentos delgados cubiertos de finísimas espículas que formaban una especie de velcro adhesivo.

Cuando pequeños crustáceos quedan atrapados por las espículas, se produce una fuerte migración celular hacia ellos y se generan nuevos filamentos que envuelven a la presa y acaban por digerirla.

Otra fascinante esponja carnívora, Chondrocladia lyra, fue descubierta en 2012 en la costa de California, a más de 3 000 m de profundidad. Es probable que las esponjas abisales hayan recurrido a este mecanismo también.

Esponjas y bacterias: buenas relaciones

Muchas esponjas albergan en sus tejidos ingentes cantidades de bacterias. En algunas especies de Geodia se han contabilizado 100 millones de bacterias por gramo de tejido.

Las esponjas son las campeonas en la síntesis de metabolitos secundarios (sustancias que desempeñan funciones complementarias a las básicas y vitales). Buena parte de esta diversidad la deben a la simbiosis con bacterias. Gracias a estos metabolitos las esponjas se defienden de infecciones, parásitos y depredadores.

De esta forma, las esponjas se consideran farmacias marinas, y productos obtenidos de ellas han sido utilizados como modelos para la síntesis de fármacos tales como el primer antiviral usado contra el VIH y el antileucémico citarabina.

En el futuro se confía en encontrar nuevos antibióticos derivados de las esponjas ante el avance de patógenos resistentes.

Las esponjas no solo utilizan a las bacterias para organizar su arsenal defensivo. En muchos casos las usan como fuente de energía. Es decir, son las bacterias las que procesan la materia orgánica proporcionando a la esponja que las alberga y protege una fuente de alimento.

Existía una cierta controversia acerca de hasta qué punto las esponjas dependen de las bacterias para su sustento. Una reciente investigación ha permitido conocer mejor la estrategia alimenticia de las esponjas en este sentido.

Este estudio distinguió dos tipos de nutrientes: la materia orgánica disuelta y la particulada. Los investigadores comprobaron que tanto las bacterias simbióticas como las células de las esponjas son capaces de aprovechar la materia orgánica disuelta, lo que desafía la visión clásica de estos organismos como filtradores de partículas.

De hecho, se comprobó que la mayor parte de la adquisición de nutrientes se debía a las bacterias en aquellas esponjas con mayor capacidad de endosimbiosis, mientras que la filtración por coanocitos predomina cuando el microbioma es menos abundante.

Por tanto, junto a la visión tradicional de las esponjas como filtradores, en muchos casos estos organismos utilizan la estrategia de cultivar bacterias para que obtengan moléculas orgánicas disueltas y proporcionen nutrientes a sus hospedadores.

Es probable que esta capacidad de diversificar estrategias explique, en parte, el éxito evolutivo de las esponjas.

Alimento fósil

Hace poco se descubrió una floreciente comunidad de esponjas en la cresta Langseth, unas colinas submarinas situadas a 87⁰ de latitud norte, permanentemente cubiertas por el casquete polar.

Se trata de un ambiente extremo donde no existe la fotosíntesis, ni tampoco se detectan fuentes de gases que pudieran ser aprovechados por bacterias. Los investigadores calcularon que la abundante biomasa (460 gramos de carbono por metro cuadrado, con esponjas que llegaban a superar el metro de diámetro) tenía una demanda energética cien veces superior a la productividad primaria de la región.

La forma en que estas esponjas podían sobrevivir sin fuentes de alimento constituía un auténtico enigma, pero el misterio acaba de resolverse de forma sorprendente.

Las esponjas, o mejor dicho, sus abundantísimos endosimbiontes, utilizan materia orgánica fósil. La cresta Langseth albergó hace entre 2 000 y 3 000 años una comunidad de pogonóforos, unos curiosos gusanos de gran tamaño que viven en simbiosis con bacterias quimioautótrofas. Los pogonóforos colonizan de esta forma fondos marinos en los que existen manantiales hidrotermales y emisiones de sulfuros que permiten la proliferación de las bacterias.

La cresta Langseth tenía este tipo de manantiales, pero terminaron por agotarse y la comunidad se extinguió. Esto dejó en el sedimento una abundante cantidad de materia orgánica en descomposición cuyas emanaciones, 2 000 años después, están siendo aprovechadas por las bacterias endosimbióticas para mantener la floreciente comunidad de esponjas. ¡No sólo los humanos vivimos de energía fósil!

Y, sin embargo, se mueven

Estas esponjas de la cresta Langseth… ¡se desplazan! Estudiando los rastros dejados en el sedimento se han encontrado desplazamientos que van desde centímetros hasta algunos metros. Esto es especialmente sorprendente en organismos que carecen de músculos y sistema nervioso.

Una vez descartados los movimientos producidos por corrientes o la gravedad se observó que las esponjas tenían una cierta capacidad de contracción y remodelación de partes del cuerpo, algo que ya se había observado en otros casos.

Combinando estas remodelaciones corporales con el anclaje de espículas al sustrato, las esponjas de Langseth se desplazaban lentamente. ¿Con qué objeto? Los investigadores piensan que se trata de buscar mejores condiciones para absorber las emanaciones de moléculas orgánicas de las que hemos hablado antes.

¿El origen del sistema nervioso?

Las esponjas carecen de las células musculares y nerviosas que caracterizan al resto de los animales. Pero, ¿cómo surgieron estos tipos celulares?

Una pista podría estar en la pequeña Spongilla lacustris, de la que se han estudiado un total de 26 157 genes en más de 10 000 células. Esto permitió clasificar las células en 18 tipos. Se identificaron unas células denominadas “neuroides” que establecían un estrecho contacto con los cilios de los coanocitos y poseían vesículas secretoras. Estas células tenían activados grupos de genes relacionados con las neuronas de los demás animales, si bien es cierto que esta activación aparece en otros tipos celulares. Es posible que estas células neuroides controlen el funcionamiento de los coanocitos y regulen de esta forma el flujo de agua a través de los canales.

Otro tipo celular, los endimiocitos, activan genes relacionados con el sistema muscular, y de hecho son las que participan en las contracciones de las esponjas de la cresta Langseth.

Por último, un tipo celular ameboide con capacidad fagocítica activa genes que en los demás animales están relacionados con el sistema inmune.

El estudio concluye que las esponjas ya disponen de los módulos genéticos que en los animales más complejos se organizan y coordinan en tipos celulares más especializados (neuronas, células musculares, células del sistema inmunitario) para realizar las funciones esenciales de relación con el medio que caracterizan al reino animal.

Las esponjas presuntamente aburridas que protagonizaron mi primera clase universitaria siguen proporcionando sorpresas a los científicos cuatro décadas después. Confieso que fue esta capacidad de los seres vivos para no dejar de sorprender lo que hizo de mí un biólogo.

Ramón Muñoz-Chápuli Oriol, Catedrático de Biología Animal (jubilado), Universidad de Málaga

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.