En el centro de la imagen, la abeja reina

Los insectos son animales asombrosos. Lo son por la importancia que tienen en el reino animal. Son, de hecho, el grupo más diverso; hay 1 millón de especies descritas y muchísimas más aún sin describir[1]. También son muy abundantes; se estima que hay 200 millones de insectos por cada ser humano.

Los insectos son también asombrosos por algunas peculiaridades de su fisiología, de su funcionamiento. Aquí nos vamos a ocupar de una de esas peculiaridades, relativa a su fisiología respiratoria. Tienen las tasas metabólicas más altas en el reino animal. No hay animales que, por unidad de masa, consuman más oxígeno que los insectos. Por otra parte, su sistema respiratorio es muy especial. El oxígeno llega directamente, a través de un sistema de tráqueas, de la atmósfera a las células. Así pues, carecen de pulmones, y por supuesto, tampoco tienen branquias; el oxígeno llega hasta las células sin que medie un sistema circulatorio.

Las tráqueas son tubos que parten de poros que se encuentran en la cutícula externa. Esos tubos se van ramificando conforme se introducen en el interior del organismo; de ese modo, las tráqueas se van subdividiendo en traqueolas, que son tubos que son cada vez más finos según se van ramificando. Cada célula acaba recibiendo una de esas traqueolas de minúsculo diámetro, y es por ellas por donde llega el oxígeno a las células. El dióxido de carbono sale, a su vez, por la misma vía.

Los poros de la cutícula externa reciben el nombre de espiráculos y cada uno de ellos tiene una válvula muscular, de la que depende que el espiráculo esté abierto o cerrado. En varias especies se produce un fenómeno que se denomina respiración discontinua o respiración a intervalos. Esos insectos dejan de respirar cada cierto tiempo; respiran a intervalos.

No está claro cuál es la razón de ese comportamiento. Hasta la fecha se han propuesto tres interpretaciones y las tres parten del supuesto de que se trata de un comportamiento con valor adaptativo. De acuerdo con la más antigua de las tres, de lo que se trata es de ahorrar agua, ya que al cerrarse los espiráculos no se evapora agua; el agua que se evapora cuando los espiráculos están abiertos es la que, al fondo de la traqueola, se encuentra en contacto con la célula. Según la segunda hipótesis, se trataría de una adaptación para poder enterrarse, puesto que, al parecer, la respiración discontinua es muy común en especies capaces de introducirse en el suelo, entre los granos de tierra o en orificios o cavidades subterráneas. Y de acuerdo con la tercera hipótesis, el objetivo de la respiración a intervalos sería evitar o paliar el estrés oxidativo.

Pero son tantas y de modo de vida tan diverso las especies que presentan ese comportamiento tan peculiar, que no parece plausible la pretensión de que haya de tener valor adaptativo y que tal valor sea común al conjunto de especies o, expresado de otro modo, que responda de forma directa a alguna presión selectiva.

Los insectos con respiración discontinua comparten, sin embargo, una curiosa característica: siempre que se interrumpe la respiración, ocurre también que la actividad cerebral se encuentra muy reducida o, sencillamente, no hay actividad cerebral ninguna.

Como es sabido, el funcionamiento del tejido cerebral sale caro, muy caro, debido a su alta actividad metabólica. Seguramente por ello, algunos animales han desarrollado modos de limitar ese gasto. Y si la masa cerebral es grande o si hay restricciones energéticas prolongadas, puede revestir gran importancia el poder limitar el gasto en que incurre ese tejido. Lo cierto es que todos los insectos que limitan o interrumpen su actividad cerebral tienen un cerebro relativamente grande o, como las reinas en las especies sociales, grandes necesidades de energía. Y resulta que son esos los insectos que muestran respiración discontinua.

Así pues, ¿existe alguna conexión entre el coste de la actividad cerebral y la respiración discontinua? Veamos esto con detalle.

Para empezar, hay que tener en cuenta que el estado, -abierto o cerrado-, de los espiráculos depende de unos músculos, y es el sistema nervioso el que controla a esos músculos. Así pues, existe una conexión entre el sistema respiratorio y el sistema nervioso. Por otro lado, cuando no hay actividad cerebral o cuando esa actividad está limitada, son los ganglios torácicos y abdominales los que asumen el control nervioso del animal, pero resulta que la actividad de esos ganglios y la de los cerebrales son muy diferentes. Por ejemplo, y en lo relativo a la actividad respiratoria, si la actividad cerebral se interrumpe o se reduce, los ganglios torácicos y abdominales no están sometidos a ningún control superior; y bajo esas condiciones, los generadores de patrones centrales son los que asumen el control de la actividad ventilatoria. El problema es que ese control no es tan fino como el que ejerce el cerebro, y quizás sea esa la razón por la que se interrumpe la respiración.

Así pues, de acuerdo con esa hipótesis, la respiración a intervalos no sería ninguna adaptación, sino la consecuencia de las reducciones en la actividad de los ganglios cerebrales. Es cierto que esa reducción conlleva un cierto ahorro de energía y que ese ahorro es muy valioso, pero interrumpir la actividad respiratoria, en ese contexto, sería una consecuencia secundaria de lo anterior. Por lo tanto, la respiración discontinua sería una consecuencia del “sueño” o del “apagado cerebral” de los insectos.

Fuente: Philip G. D. Matthews & Craig R. White (2011): “Discontinuous Gas Exchange in Insects: Is It All in Their Heads?” The American Naturalist 177 (1): 130-134

Aristóteles, en su “Investigación sobre los animales”, nos dice, refiriéndose a la respiración, lo siguiente: “De entre los animales terrestres, unos absorben el aire y lo expulsan (procesos que se llaman inspiración y espiración), como por ejemplo, el hombre y todos los animales terrestres que tienen pulmones; otros no toman el aire, pero viven y encuentran su alimento en tierra, como por ejemplo, la avispa, la abeja y los demás insectos. Llamo insectos a los animales cuyo cuerpo presenta segmentos, ya sobre la espalda, ya en ésta y en la barriga.”

Aristóteles sabía mucho de animales. De hecho, está considerado como el primer naturalista y bastante de lo que dejó escrito sobre algunos aspectos de la biología de los animales casi no ha sufrido modificaciones a lo largo de siglos. No obstante, aunque tuvo bastante acierto con la observación relativa a los insectos reproducida más arriba, su acierto no fue completo.

Los insectos no tienen pulmones. Esa es una de las características más singulares del grupo. Su aparato respiratorio consiste en un sistema traqueal. Es un sistema formado por un conjunto de invaginaciones o tubos que parten de sendos orificios en la superficie exterior y que penetran en el interior del organismo, a la vez que se van ramificando de forma progresiva. Cada uno de los tubos que parten de la superficia es una tráquea y conforme se van ramificando se convierten en traqueolas. El aire entra en la tráquea por el orificio exterior y va penetrando por las traqueolas; conforme se ramifican para dar lugar a nuevas traqueolas, éstas se hacen cada vez más delgadas, hasta el punto de que cada célula acaba recibiendo una traqueola, su traqueola. En la proximidad del punto de contacto con la célula, la traqueola contiene un pequeño volumen de líquido, que es en el que se disuelve el oxígeno que llegado procedente del exterior, y del que difundirá, de forma disuelta, a la célula en contacto con la traqueola.

Para completar la descripción del sistema debemos citar otros dos elementos. Por un lado, -y este es el aspecto en que Aristóteles no acertó-, en algunas especies, y gracias a una actividad muscular específica, puede haber una cierta actividad ventilatoria; así pues, se puede considerar que en los insectos se puede producir una cierta inspiración, aunque no sea un rasgo general. Y por otro lado, son capaces de cerrar las tráqueas mediante unas estructuras denominadas espiráculos. El poder cerrar las tráqueas tiene su importancia, dado que permite evitar la evaporación del agua contenida en el fondo de las traqueolas de manera que no pierdan excesiva cantidad de agua de esa forma.

Hasta ahora no he aludido en ningún momento al sistema circulatorio, porque éste no desempeña ninguna función relacionada con la respiración de los insectos. Así pues, el circulatorio y el traqueal son sistemas independientes, no interaccionan y, por ello, en lo relativo a estas cuestiones, el grupo de los insectos constituye una excepción entre los animales que tienen órganos diferenciados. Ahora bien, parece ser que el hecho de tener un sistema respiratorio tan singular obliga a estos animales a pagar un cierto precio. Veamos en qué consiste ese precio.

Por simples razones de geometría del sistema traqueal, éste no permitiría proveer de oxígeno a todas las células de un organismo por encima de un cierto tamaño corporal. Así pues, el precio consiste en el tamaño máximo alcanzable por un insecto. Sin esa limitación el mundo no sería, seguramente, como lo conocemos e incluso, la especie humana ni siquiera hubiera llegado a aparecer en el planeta. ¿O podríamos acaso imaginar un planeta lleno de insectos de nuestro tamaño? Hemos podido ver insectos, avispas y hormigas gigantes, de ese tamaño en películas de ciencia ficción; resulta de lo más desasosegante.

Pero analicemos la cuestión desde otro punto de vista. Toda esta historia no sería más que una anécdota sin demasiada importancia si no fuera por el hecho, en absoluto baladí, de que tanto por el número de especies, como por el número de individuos, los insectos son, con gran diferencia, el grupo animal más abundante. La mayoría de los animales son insectos y, por lo tanto, podemos decir, sin temor a equivocarnos, que la mayoría de los animales no necesitan un sistema circulatorio para que intermedie en todos los intercambios con el exterior, puesto que no interviene en el intercambio de gases respiratorios. Es, sin ninguna duda, otra forma de respirar.