Los científicos están tratando de descubrir cómo los animales siguen un olor hasta su origen

Descubrir las diversas estrategias que emplean los animales podría ayudar a los ingenieros a desarrollar robots que realicen tareas similares

Dana Mackenzie, Revista Conocible

El 2 de octubre de 2022, cuatro días después de que el huracán Ian azotara Florida, un rottweiler de búsqueda y rescate llamado Ares caminaba por las calles devastadas de Fort Myers cuando llegó el momento para el que había estado entrenando. Ares captó un olor dentro de una casa destrozada y corrió escaleras arriba, con su guía siguiéndolo, abriéndose camino con cautela entre los escombros.

Encontraron a un hombre que había quedado atrapado dentro de su baño durante dos días después de que el techo se derrumbara. Unas 152 personas murieron en Ian, uno de los peores huracanes de Florida, pero ese afortunado sobrevivió gracias a la capacidad de Ares de seguir un olor hasta su origen. .

A menudo damos por sentada la capacidad de un perro para encontrar a una persona enterrada bajo los escombros, una polilla para seguir un penacho de olor hasta su pareja o un mosquito para oler el dióxido de carbono que exhalas. Sin embargo, navegar con la nariz es más difícil de lo que parece y los científicos aún están investigando cómo lo hacen los animales.

"Lo que lo dificulta es que los olores, a diferencia de la luz y el sonido, no viajan en línea recta", dice Gautam Reddy, físico biológico de la Universidad de Harvard y coautor de una encuesta sobre la forma en que los animales localizan las fuentes de olores en la Revisión Anual de 2022. de Física de la Materia Condensada. Puedes ver el problema mirando una columna de humo de cigarrillo. Al principio asciende y viaja en una trayectoria más o menos recta, pero muy pronto empieza a oscilar y finalmente empieza a dar vueltas caóticamente, en un proceso llamado flujo turbulento. ¿Cómo podría un animal seguir una ruta tan complicada de regreso a su origen?

Durante las últimas dos décadas, un conjunto de nuevas herramientas de alta tecnología, que van desde la modificación genética hasta la realidad virtual y los modelos matemáticos, han hecho posible explorar la navegación olfativa de maneras radicalmente diferentes. Las estrategias que utilizan los animales, así como sus tasas de éxito, dependen de una variedad de factores, incluida la forma del cuerpo del animal, sus capacidades cognitivas y la cantidad de turbulencia en la columna de olor. Un día, esta creciente comprensión puede ayudar a los científicos a desarrollar robots que puedan realizar tareas para las que ahora dependemos de los animales: perros para buscar personas desaparecidas, cerdos para buscar trufas y, a veces, ratas para buscar minas terrestres.

El problema de rastrear un olor parece tener una solución elemental: simplemente olfatear y dirigirse en la dirección donde el olor es más fuerte. Continúe hasta encontrar la fuente.

Esta estrategia, llamada búsqueda de gradiente o quimiotaxis, funciona bastante bien si las moléculas de olor se distribuyen en una niebla bien mezclada, que es la etapa final de un proceso conocido como difusión. Pero la difusión ocurre muy lentamente, por lo que una mezcla completa puede llevar mucho tiempo. En la mayoría de las situaciones naturales, los olores fluyen a través del aire en una corriente o penacho estrecho y claramente delineado. Estas columnas y los olores que transmiten viajan mucho más rápidamente que por difusión. En algunos aspectos, esta es una buena noticia para un depredador, que no puede darse el lujo de esperar horas para rastrear a su presa. Pero las noticias no son del todo buenas: las columnas de olores casi siempre son turbulentas, y el flujo turbulento hace que la búsqueda por gradiente sea tremendamente ineficiente. En cualquier punto dado, es muy posible que la dirección en la que el olor aumenta más rápidamente apunte en dirección opuesta a la fuente.

Los animales pueden recurrir a una variedad de otras estrategias. Los insectos voladores, como las polillas en busca de pareja, adoptan una estrategia de “lanzamiento y aumento”, que es una forma de anemotaxis o respuesta basada en las corrientes de aire. Cuando una polilla macho detecta las feromonas de una hembra, inmediatamente comenzará a volar contra el viento, suponiendo que haya viento. Si pierde el olor (lo que probablemente sucederá, especialmente cuando está lejos de la hembra), comenzará a “lanzar” de un lado a otro con el viento. Cuando vuelva a encontrar la pluma, volverá a volar contra el viento (el “oleaje”) y repetirá este comportamiento hasta que vea a la hembra.

Algunos insectos terrestres pueden utilizar una estrategia llamada tropotaxis, que podría considerarse como oler en estéreo: comparar la fuerza del olor en las dos antenas y girar hacia la antena que recibe la señal más fuerte. Los mamíferos, que normalmente tienen fosas nasales que están más estrechamente espaciadas en relación con el tamaño del cuerpo que las antenas de un insecto, a menudo usan una estrategia de comparación de precios llamada klinotaxis: gira la cabeza y huele de un lado, gira la cabeza y huele del otro lado, y Gire su cuerpo en la dirección del olor más fuerte. Esto requiere un nivel de cognición ligeramente mayor debido a la necesidad de retener el recuerdo de la inhalación más reciente.

Los robots detectores de olores pueden tener otra estrategia a la que recurrir, una que quizá la naturaleza nunca hubiera ideado. En 2007, el físico Massimo Vergassola de l'École Normale Supérieure de París propuso una estrategia llamada infotaxis, en la que el olfato se encuentra con la era de la información. Mientras que la mayoría de las otras estrategias son puramente reactivas, en la infotaxis el navegante crea un modelo mental de dónde es más probable que esté la fuente, dada la información que ha recopilado previamente. Luego se moverá en la dirección que maximice la información sobre la fuente del olor.

El robot se moverá hacia la dirección más probable de la fuente (explotando su conocimiento previo) o hacia la dirección sobre la cual tiene menos información (explorando para obtener más información). Su objetivo es encontrar la combinación de explotación y exploración que maximice la ganancia esperada en información. En las primeras etapas, la exploración es mejor; A medida que el navegante se acerca a la fuente, la mejor opción es la explotación. En las simulaciones, los navegantes que utilizan esta estrategia recorren trayectorias que se parecen mucho a las trayectorias de lanzamiento y aumento de las polillas.

En la primera versión de Vergassola, el navegante necesita hacer un mapa mental de su entorno y calcular una cantidad matemática llamada entropía de Shannon, una medida de imprevisibilidad que es alta en las direcciones que el navegante no ha explorado y baja en las direcciones que sí ha explorado. Probablemente esto requiera capacidades cognitivas que los animales no poseen. Pero Vergassola y otros han desarrollado versiones más nuevas de infotaxis que son menos exigentes desde el punto de vista computacional. Un animal, por ejemplo, “puede tomar atajos, tal vez aproximar la solución al 20 por ciento, lo cual es bastante bueno”, dice Vergassola, coautor del artículo Annual Reviews.

Infotaxis, klinotaxis, tropotaxis, anemotaxis… ¿qué taxis te llevarán primero a tu destino? Una forma de averiguarlo es ir más allá de las observaciones cualitativas del comportamiento animal y programar una criatura virtual. Luego, los investigadores pueden calcular la tasa de éxito de varias estrategias en una variedad de situaciones, tanto en el aire como en el agua. "Podemos manipular muchas más cosas", dice Bard Ermentrout, matemático de la Universidad de Pittsburgh y miembro de Odor2Action, un grupo de investigación de 72 personas organizado por John Crimaldi, dinámico de fluidos de la Universidad de Colorado, Boulder. Por ejemplo, los investigadores pueden probar qué tan bien funcionaría la estrategia de una mosca bajo el agua, o pueden aumentar la turbulencia del fluido y ver cuándo una estrategia de búsqueda particular comienza a fallar.

Hasta ahora, las simulaciones muestran que cuando la turbulencia es baja, tanto el olfato estéreo como la comparación de precios funcionan la mayor parte del tiempo; aunque, como se esperaba, el primero funciona mejor para animales con sensores muy espaciados (piense en los insectos) y el segundo funciona mejor para animales con Sensores poco espaciados (piense en los mamíferos). Sin embargo, para situaciones de alta turbulencia, un animal simulado no funciona bien con ninguno de los dos enfoques. Sin embargo, los experimentos de laboratorio muestran que los ratones reales apenas parecen desconcertados por una columna turbulenta. Esto sugiere que los ratones aún pueden tener trucos que desconocemos, o que nuestra descripción de la klinotaxis es demasiado simple.

Además, si bien las simulaciones pueden indicar lo que podría hacer un animal, no necesariamente dicen lo que hace. Y todavía no tenemos forma de preguntarle al animal: "¿Cuál es tu estrategia?" Pero los experimentos de alta tecnología con moscas de la fruta se están acercando cada vez más a ese sueño al estilo del Dr. Dolittle.

Las moscas de la fruta son, en muchos sentidos, organismos ideales para la investigación del olfato. Sus sistemas olfativos son simples, con sólo unos 50 tipos de receptores (en comparación con unos 400 en los humanos y más de 1.000 en los ratones). Sus cerebros también son relativamente simples y se han mapeado las conexiones entre las neuronas de su cerebro central: en 2020 se publicó el conectoma de la mosca de la fruta, una especie de diagrama de cableado de su cerebro central. “Puedes buscar cualquier neurona y ver quién está conectado”, dice Katherine Nagel, neurocientífica de la Universidad de Nueva York y otra de los miembros del equipo Odor2Action. Antes, el cerebro era una caja negra; ahora investigadores como Nagel pueden simplemente buscar las conexiones.

Uno de los enigmas de las moscas es que parecen utilizar una versión diferente de la estrategia de “incremento y lanzamiento” que las polillas. "Nos dimos cuenta de que las moscas, cuando encuentran una columna de olor, normalmente giran hacia la línea central de la columna", dice Thierry Emonet, biofísico de la Universidad de Yale. Una vez que encuentren la línea central, lo más probable es que la fuente esté directamente contra el viento. "[Nosotros] preguntamos, ¿cómo diablos sabe la mosca dónde está el centro de la columna?"

Emonet y su colaborador Damon Clark (un físico cuyo laboratorio está al lado) han respondido a esta pregunta con una ingeniosa combinación de realidad virtual y moscas genéticamente modificadas. A principios de la década de 2000, los investigadores desarrollaron moscas mutantes con neuronas olfativas que responden a la luz. "Convierte la antena en un ojo primitivo, por lo que podemos estudiar el olfato de la misma manera que estudiamos la visión", dice Clark.

Esto resolvió uno de los mayores problemas en la investigación del olfato: normalmente no se puede ver la columna de olor a la que responde un animal. Ahora no sólo podrás verlo, podrás proyectar una película de cualquier paisaje olfativo que desees. La mosca genéticamente modificada percibirá esta realidad virtual como un olor y reaccionará en consecuencia. Otra mutación dejó a las moscas ciegas, de modo que su visión real no interfiriera con el "olor" visual.

En sus experimentos, Clark y Emonet pusieron estas moscas genéticamente modificadas en un contenedor que limita su movimiento a dos dimensiones. Una vez que las moscas se acostumbraron a la arena, los investigadores les presentaron un paisaje visual de olores formado por rayas en movimiento. Descubrieron que las moscas siempre caminaban hacia las franjas que se aproximaban.

A continuación, Clark y Emonet presentaron un paisaje olfativo más realista, con giros y remolinos turbulentos copiados de columnas reales. Las moscas pudieron navegar con éxito hasta el centro de la columna. Finalmente, los investigadores proyectaron una película invertida en el tiempo de la misma columna, de modo que el movimiento promedio del olor en la columna virtual fuera hacia el centro, en lugar de alejarse, un experimento que no podría realizarse con una columna de olor real. . Las moscas estaban confundidas por este penacho de mundo extraño y se alejaron del centro en lugar de acercarse a él.

Las moscas, concluyeron Clark y Emonet, deben sentir el movimiento de los paquetes de olores, como Emonet llama grupos discretos de moléculas de olor. Piensa en esto por un segundo: cuando hueles la barbacoa del vecino, ¿puedes saber si las partículas de humo que pasan por tu nariz viajan de izquierda a derecha o de derecha a izquierda? No es obvio. Pero una mosca puede saberlo, y los investigadores del olfato han pasado por alto esta posibilidad anteriormente.

¿Cómo ayuda la detección del movimiento de las moléculas de olor a la mosca a encontrar el centro del penacho? El punto clave es que, en un momento dado, hay más moléculas de olor que se alejan del centro de la columna que hacia él. Como explica Emonet, “el número de paquetes en la línea central es mayor que fuera de ella. Por lo tanto, hay muchos paquetes en el centro que se alejan, y no tantos del exterior que entran. Cada paquete individualmente tiene la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección, pero colectivamente hay una dispersión que se aleja del centro”.

De hecho, las moscas procesan la información sensorial entrante de una manera notablemente sofisticada. En un ambiente ventoso, la dirección en la que viaja la mosca es en realidad una combinación de dos direcciones distintas: la dirección del flujo de aire y la dirección promedio en la que se mueven los paquetes de olor. Utilizando el conectoma de la mosca, Nagel ha identificado uno de los lugares del cerebro donde debe ocurrir este procesamiento. Las neuronas que detectan el viento de la mosca se entrecruzan con sus neuronas que detectan la dirección olfativa en un lugar particular del cerebro que descriptivamente se denomina "cuerpo en forma de abanico". Juntos, los dos conjuntos de neuronas le dicen a la mosca en qué dirección debe moverse.

En otras palabras, la mosca no sólo reacciona a sus estímulos sensoriales, sino que también los combina. Dado que cada conjunto de direcciones es lo que los matemáticos llaman un vector, la combinación es una suma vectorial. Es posible, dice Nagel, que las moscas estén literalmente añadiendo vectores. Si es así, sus neuronas están realizando un cálculo que los estudiantes universitarios humanos aprenden a realizar en cálculo vectorial.

Nagel planea buscar a continuación estructuras neuronales similares en los cerebros de los crustáceos. "El olor es completamente diferente, la locomoción es diferente, pero esta región central compleja se conserva", dice. “¿Están haciendo fundamentalmente lo mismo que las moscas?”

Si bien los experimentos con conectomas y realidad virtual están produciendo conocimientos sorprendentes, quedan muchas preguntas por responder. ¿Cómo rastrean perros como Ares un olor que está en parte en el suelo y en parte en el aire? ¿Cómo distribuyen su tiempo entre olfatear el suelo y olfatear el aire? Además, ¿cómo funciona el “olfateo”? Muchos animales perturban activamente el flujo de aire, en lugar de limitarse a recibirlo pasivamente; los ratones, por ejemplo, “baten” con sus bigotes. ¿Cómo utilizan esta información?

¿Y qué otras habilidades no humanas podrían poseer los animales, similares a la capacidad de las moscas para detectar el movimiento de un paquete de olor? Es probable que estos y muchos más misterios mantengan a los biólogos, físicos y matemáticos buscando respuestas durante mucho tiempo.

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