Resumen

En este artículo descubrirás el fascinante mundo de los hidroides, criaturas acuáticas con ciclos de vida únicos. Estos animales pertenecen al filo Cnidaria, grupo taxonómico dentro del cual encontramos corales, anémonas, medusas y sus pólipos. Una de sus características más sorprendentes es su habilidad para viajar largas distancias, gracias a una estructura llamada hidrorriza, que les permite fijarse a diversos sustratos, incluyendo algas y objetos flotantes. A medida que exploramos la vida de los hidroides, entenderemos cómo su presencia puede afectar a las especies nativas y a actividades humanas como la acuicultura y la infraestructura marina. Además, conoceremos los esfuerzos para controlar la propagación de hidroides invasores. Aunque hemos realizado avances en su estudio, aún hay mucho por descubrir sobre estos organismos acuáticos y su papel en los ecosistemas marinos. Prepárate para sumergirte en el mundo fascinante de los hidroides y desentrañar sus secretos
Palabras clave: cnidarios, dispersión, hidroides, macroalgas, pólipos.

Hydroids: Those little big wanderers

Abstract

In this article, you will discover the fascinating world of hydroids, aquatic creatures with unique life cycles. These animals are part of the phylum Cnidaria, a taxonomic group within which we find corals, anemones, jellyfish, and polyps. One of their most surprising characteristics is their ability to travel long distances, thanks to a structure known as hydrorhiza, which allows them to attach to various substrates, including algae and floating objects. As we explore the life of hydroids, we will understand how their presence can affect native species and human activities such as aquaculture and marine infrastructure. In addition, we will learn about the efforts to control the spreading of invasive hydroids. Although we have made progress in their study, there is still much to discover about these aquatic organisms and their role in marine ecosystems. Get ready to immerse yourself in the fascinating world of hydroids and unravel their secrets.
Keywords: cnidarians, dispersion, hydroids, macroalgae, polyps.

¿Qué son los hidroides?

Los hidroides son animales acuáticos pertenecientes a un grupo taxonómico conocido como Cnidaria, dentro del cual encontramos unas 3761 especies (WoRMS, 2023), las cuales comparten un plan básico de organización e incluyen corales, medusas y sus pólipos. Dentro de los cnidarios se encuentra un grupo llamado clase Hydrozoa, cuyo nombre proviene del griego hydra, serpiente acuática, y zoon, animal. Una característica interesante de los hidrozoos es que tienen ciclos de vida con alternancia de generaciones, lo que significa que podemos encontrarnos dos etapas de vida diferentes dentro de una misma especie: una etapa de pólipo y una etapa de medusa (Mills et al., 2007). A la etapa pólipo se le conoce como hidroide, es sésil y bentónica, es decir, vive fija a sustratos, mientras que la etapa medusa, conocida como hidromedusa, generalmente es planctónica y móvil, por lo que se mantiene flotando en la columna de agua (Mills et al., 2007). Sin embargo, en varias especies de hidrozoos una de las dos fases nunca se presenta en el ciclo de vida, por ejemplo, hay especies de pólipos que jamás producen medusas (Mills et al., 2007; ver figura 1). Tanto los hidroides como las hidromedusas producen larvas plánulas, que son muy importantes en la dispersión, puesto que nadan por cortos períodos de tiempo hasta fijarse a un sustrato y dar lugar a un nuevo hidroide o por el contrario se convierten en una hidromedusa (Sommer, 1992).

Figura 1. A) Los hidrozoos se pueden reproducir y generar hidroides o B) medusas.arrieras.
Crédito: C. Odette Carral-Murrieta.

La mayoría de los hidroides se mantienen fijos a sustratos, sin embargo, se conocen especies que pueden sobrevivir suspendidas en la columna de agua (por ejemplo, Clytia gracilis; Madin et al., 1996). También hay especies de hidroides que pueden vivir solitarias o formar colonias, es decir que se componen de un conjunto de individuos. En una colonia cada uno tiene una función en particular: algunos cazan o defienden (dactilozoides), otros digieren la comida (gastrozoides) y otros se reproducen (gonozoides) (Mills et al., 2007).

La formación de colonias es común en la mayor parte de las especies de hidrozoos (aproximadamente en el 60%) y está relacionada con su historia evolutiva. Los científicos han considerado que en animales marinos una ventaja de la colonialidad es el aumento de espacio que logran abarcar en las superficies en las que se establecen (Jackson, 1977). Asimismo, cuando un individuo se separa de la colonia, éste puede dar lugar a una colonia nueva, gracias la gran capacidad de regeneración que tienen estos organismos (Gili y Hughes, 1995).

Morfológicamente los hidroides tiene tres características principales: el hidrante, en el cual se encuentra una boca rodeada de tentáculos que le ayudan al animal a capturar presas para comerlas (ver figura 2). El hidrocaule en colonias erectas o pedicelo en colonias estolonales son estructuras parecidas al tallo de las plantas y sirven para mantener de pie al individuo o a la colonia. Por último, pero no menos importante, en los hidroides coloniales tenemos la hidrorriza, la cual es la “raíz” del hidroide, que parece una red y permite al hidroide fijarse en gran variedad de sustratos (Mills et al., 2007; ver figuras 2 y 3).

Figura 2. Apariencia general de los hidroides coloniales. El hidroide se compone principalmente del hidrante (con boca y tentáculos), el hidrocaule o pedicelo y la hidrorriza.
Crédito: C. Odette Carral-Murrieta.

Figura 3. Hidrozoo Obelia dichotoma. A) Colonia. B) Hidrocaule, C) Hidrante. Colonias de hasta 25 mm de altura. *La hidroteca es el exoesqueleto que cubre al hidrante.
Crédito: Alvaro E. Migotto, Cifonauta.

¿Cómo logran los hidroides vivir en tantas superficies?

Es gracias a la hidrorriza que podemos encontrar a los hidroides viviendo sobre otros seres vivos (por ejemplo, ascidias, briozoos, cirrípedos, esponjas, moluscos, poliquetos, otros cnidarios, macroalgas y pastos marinos) o incluso sobre objetos inanimados y construcciones (troncos flotantes, embarcaciones, puertos, muelles, boyas, cuerdas, hilo de pesca, entre otros). Es sabido que eventos naturales como tsunamis pueden arrastrar objetos artificiales por largas distancias, viajando sobre ellos los hidroides, así como permitiendo la fijación de otros animales (Calder et al., 2014).

Una característica maravillosa de la hidrorriza es que, cuando las condiciones del ambiente no son favorables para que el hidroide sobreviva, puede absorber a las demás estructuras del hidroide (hidrante e hidrocaule) y entrar en un estado de latencia en la que el organismo se mantiene vivo hasta que las condiciones ambientales sean favorables y se puedan regenerar las estructuras absorbidas y continuar con su desarrollo (Piraino et al., 2004). Un ejemplo es la especie Clytia hummelincki estudiada en el Mediterráneo, la cual tiene una abundancia máxima entre los meses de agosto y septiembre, mientras que durante la temporada fría las colonias se reducen a tejido latente por medio de la hidrorriza (Martell et al., 2017).

¿Qué tan lejos pueden llegar los hidroides?

Desde la antigüedad, han existido rutas comerciales y exploratorias marítimas entre territorios lejanos. Como ejemplos están la ruta del incienso (siglos iii a. e. c. C. – ii e. c.), que consistía en la navegación dentro del mar rojo, transportando dicho bien entre Asia, África, y hasta terminar en la cuenca del mediterráneo (unesco, 2023); la ruta del galeón de Manila (1565-1815), que unía al puerto de Acapulco con la capital filipina (Martínez-Shaw, 2019). Asimismo, está la famosa expedición de Magallanes, que le dio la vuelta al mundo, saliendo de Europa y pasando por África, el sur de América, Oceanía y Asia (Osada-García, 2022). Por tanto, es muy probable que los seres humanos hayamos comenzado a transportar hidrozoos de manera incidental y por distancias intercontinentales desde hace siglos.

Pero no sólo los barcos pueden recorrer distancias largas, también organismos vivos como las algas pueden llevar a los hidroides a sitios lejanos. Por ejemplo, el alga roja (Acanthophora spicifera), así como las algas cafés llamadas sargazo (Sargassum spp.). Algunas especies de sargazo pasan toda su vida flotando en la superficie del océano, mientras que otras se encuentran fijas a un sustrato, pero se desprenden y quedan a la deriva en el mar (Gutow et al., 2015). Sobre de estos sargazos se fijan varias especies de hidroides que se transportan sobre de ellos, llegando en ocasiones a vararse en las playas (ver figura 4). Hasta el momento, se han reportado 130 especies de hidroides epibiontes en 26 especies de Sargassum1 (Carral-Murrieta et al., 2023).

Figura 4. Colonias de hidroides que viajan en el Océano Atlántico sobre el alga café Sargassum spp.
Crédito: C. Odette Carral-Murrieta.

El tiempo de vida de los hidroides que crecen sobre sustratos vivos depende de factores ambientales y del tiempo de vida de los sustratos, así como de la capacidadad de latencia de los hidroides y las interacciones bioticas a las que estén sometidos tanto hidroides como sustratos, por ejemplo, la depredación. En la actualidad se tiene evidencia que permanecen con vida sobre el sargazo que arriba a las playas aun cuando éste queda expuesto a la desecación y descomposición por horas.

Posibles efectos de los hidroides que viajan largas distancias

Los hidroides que llegan a un sitio completamente nuevo se conocen como hidroides exóticos. Algunos de éstos compiten con las especies que viven en el sitio (especies nativas) por espacios para vivir y por las fuentes de alimento. Cuando éstos ocasionan daños y logran establecerse y vivir en el nuevo sitio, se les conoce como hidroides invasores. Sin embargo, los hidroides invasores no sólo impactan a especies nativas, sino que también pueden afectar actividades importantes para nosotros los humanos, tales como el cultivo de animales acuáticos para nuestro consumo, ya que los hidroides pueden ocasionar la muerte de peces; también pueden obstruir tubería importante para el funcionamiento de las plantas de energía, ocasionando pérdidas de tiempo y de dinero (Fitridge et al., 2012).

Actualmente, los científicos han producido algunos métodos para controlar el exceso de organismos como los hidroides viviendo en sustratos artificiales, para así evitar que los seres humanos continuemos introduciendo accidentalmente a especies de hidroides exóticos en sitios en los que previamente no se encontraban. Entre los métodos utilizados para disminuir el impacto de hidroides exóticos que pueden volverse invasores son la creación de pinturas especiales, las cuales evitan que la hidrorriza se fije a los barcos, o tratamientos termales, que modifican la temperatura del agua, lo que previene que los hidroides vivan en zonas en las que se encuentran las superficies que se quieren proteger (Fitridge et al., 2012; Folino-Rore y Indelicato, 2005). Sin embargo, estas pinturas pueden contaminar y ser absorbidas por invertebrados marinos (Turner, 2010). Además, aún no se sabe mucho de los hidroides ni el número de especies que son potencialmente invasoras, por lo que es necesario continuar con la investigación de estos pequeños animales acuáticos.

Conclusión

Los hidroides son animales particulares por su riqueza de especies y ciclos de vida, los cuales están caracterizados por la alternancia de generaciones. Son organismos capaces de adaptarse al medio en el que viven, ya que pueden entrar en latencia cuando las condiciones ambientales son adversas. Además, la hidrorriza les confiere la capacidad de viajar largas distancias sobre una diversidad de superficies flotantes, tales como las algas pardas del género Sargassum. Sin embargo, aún hacen falta más estudios que desentrañen la vida y efectos en los distintos sitios en los que viven.

Agradecimientos

A los proyectos fordecyt-pronaces/428225/2019 “Macroalgas introducidas: organismos modelo para analizar los patrones de éxito de especies con potencial de invasión en ambientes costeros” al Laboratorio de Macroalgas y al equipo de Medusozoa México.

Referencias

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Resumen

Los escarabajos carábidos son una familia diversa de coleópteros, siendo uno de los grupos más populares y fascinantes en términos de morfología y evolución. Estos insectos desempeñan un papel vital en diversos ecosistemas debido a sus hábitos de vida, lo que los convierte en un recurso fundamental para estudios ecológicos y forestales. En este trabajo se presenta de manera clara y concisa el origen de los carábidos, su abundancia a nivel mundial y nacional, sus características morfológicas distintivas, sus patrones de comportamiento y su relevancia ecológica. El objetivo principal es proporcionar un panorama general del conocimiento sobre este grupo de escarabajos.
Palabras clave: escarabajos carábidos, coleópteros, diversidad, evolución, ecosistemas.

The carabids: a look at the ground beetles

Abstract

Carabid beetles are a diverse family of coleopterans, being one of the most popular and fascinating groups in terms of morphology and evolution. These insects play a vital role in various ecosystems due to their lifestyle habits, making them a fundamental resource for ecological and forestry studies. This work presents, in a clear and concise manner, the origin of carabid beetles, their global and national abundance, distinctive morphological characteristics, behavioral patterns, and ecological relevance. The main objective is to provide a comprehensive overview of the knowledge about this group of beetles.
Keywords: carabid beetles, coleopterans, diversity, evolution, ecosystems.

Introducción

El orden Coleoptera es el grupo de animales más diverso, con 389,755 especies (Zhang, 2013), que representa aproximadamente el 25% de la biodiversidad mundial, el 30% del phylum Arthropoda y el 36% de la clase Insecta (Bouchard et al., 2017; Mchugh y Liebherr, 2009). Este orden está dividido en cuatro grupos o subórdenes: Archostemata, Myxophaga, Polyphaga y Adephaga. Los carábidos son una familia de escarabajos terrestres que pertenecen al suborden Adephaga, el cual se divide a su vez en dos grandes grupos: Hydradephaga, que incluye algunas familias de hábitos acuáticos, y Geadephaga, donde se encuentran los carábidos, que son de hábitos terrestres (Bousquet, 2012).

La familia Carabidae cuenta con cerca de 40,000 especies descritas en todo el mundo, por lo que es la tercera familia más diversa del orden Coleoptera (Bouchard et al., 2017). Estos escarabajos han logrado habitar en la mayoría de los ambientes y ecosistemas conocidos, estando presentes en casi todos los continentes, con excepción de la Antártida. Su éxito evolutivo, así como su gran abundancia, son indicativos de que los carábidos cumplen con funciones ecológicas muy importantes. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es dar a conocer los aspectos generales de los carábidos, que ayuden a saber más sobre su origen evolutivo, su biología y hábitos de vida, los cuales son relevantes para entender su importancia en los ecosistemas, tanto naturales como modificados por el ser humano.

Diversidad de carábidos en México

México es uno de los países considerados megadiversos debido a la gran riqueza biológica que posee. Sin embargo, en estos escenarios generalmente se presenta una falta de especialistas dedicados al estudio de grupos muy particulares de flora y fauna, a este problema se le conoce como “impedimento taxonómico” (Dar et al., 2016; Delgado y Navarrete-Heredia, 2022); fenómeno que ha sido evidente en el estudio de los coleópteros en México. Si bien algunas familias de escarabajos son frecuentemente estudiadas y conocidas en el territorio nacional, este no es el caso de los carábidos, debido principalmente a la falta de especialistas en el país. A pesar de ello, se conoce una diversidad de 2,012 especies y 174 géneros (Cerón-Gómez et al., 2022), lo que representa poco más del 5% de la diversidad mundial de carábidos. Esta riqueza de especies está sustentada por el principal estudio antecedente de carábidos en México (Ball y Shpeley, 2000) y los pocos inventarios estatales recientes para los estados de Hidalgo y Sonora (Cerón-Gómez et al., 2022; Shpeley y Van Devender, 2022), por lo que la diversidad de estos coleopteros en México podría estar sumamente subestimada debido a la poca información existente.

Origen y evolución de los carábidos

Hasta ahora nuestro planeta es el único lugar del universo donde se reconoce a la vida en diferentes formas biológicas, las cuales han estado en un constante proceso de cambio evolutivo. Conocer el momento donde aparecieron cada una de estas formas de vida es un desafío titánico, incluso la propia edad de nuestro planeta aún es debatible, aunque las hipótesis más apoyadas indican unos 4,566 millones de años (White, 2007).

En el caso de los coleópteros, el momento de su aparición también ha resultado un tema debatible. Una de las hipótesis sobre su origen, sugiere que fue hace aproximadamente 285 millones de años, en el periodo Pérmico (Hunt et al., 2007); sin embargo, otra más reciente señala que su origen fue a mediados del Carbonífero, hace unos 317 millones de años (Baca et al., 2021), dando paso en los siguientes millones de años a una radiación de diferentes linajes actuales. El primer ancestro conocido de Adephaga se remonta al inicio de la era Mesozoica, en el Triásico inferior, 250 millones de años atrás. Para el Triásico superior, muchos de los escarabajos actuales ya se encontraban en la Tierra, incluida la familia Carabidae (Maddison et al., 2008; Ponomarenko, 1977). A partir de entonces han sido uno de los grupos de coleópteros más exitosos y diversos, encontrándolos en ambientes hostiles y contrastantes.

Si bien desde una perspectiva taxonómica los carábidos se encuentran bien definidos, existe un debate general entre los especialistas aún no resuelto acerca de los diferentes grupos de coleópteros que conforman a la familia Carabidae. Por ejemplo, los cicindelinos o escarabajos tigre, los traquipáquidos o falsos escarabajos de tierra y los risódidos o escarabajos de corteza arrugada, son algunos de los grupos en donde se ha discutido si cada uno de ellos debe formar su propia familia o si deben ser considerados como subfamilia dentro de la familia Carabidae. No obstante, esto no significa que sea imposible reconocer a los carábidos.

¿Cómo se reconoce a los carábidos?

Los carábidos presentan una variedad en tamaños, colores y formas, que los hace un popular grupo y atractivo dentro de la comunidad entomológica y para muchos coleccionistas aficionados. A pesar de esta variedad morfológica, poseen características distintivas que son importantes para su reconocimiento (figura 1). La cabeza es siempre más estrecha que el pronoto (parte del cuerpo que le sigue a la cabeza, con forma de disco y donde se encuentran ventralmente el primer par de patas) y que la base de los élitros (primer par de alas modificado en forma de estuche que protege al segundo par de alas y el abdomen); los ojos son generalmente prominentes; las antenas están insertadas entre los ojos y las mandíbulas, y tienen 11 artejos (piezas que forman parte de los apéndices articulados, principalmente antenas y patas); por último, las mandíbulas son grandes, afiladas y fuertes.

Figura 1. Vista dorsal (izquierda) y ventral (derecha) de Calosoma (Castrida) alternans (Fabricius 1792), donde se muestran las características más relevantes para reconocer a los integrantes de la familia Carabidae. Abreviaturas, AA: artejos antenales, ABD: abdomen, CAB: cabeza, CX: coxa (retocada en color rojo), ELI: élitros, MAN: mandíbula, PM: palpos maxilares, PRO: pronoto, P1: patas anteriores, P2: patas medias, P3: patas posteriores, SA: segmentos abdominales, SNP: sutura notopleural (retocada en color rojo), TAR: tarsómeros, TOR: tórax. Crédito: J. Asiain.

En vista ventral se puede observar una línea impresa llamada “sutura notopleural” claramente definida, ya que corre paralela al margen externo del pronoto (tal como se señala en la figura 1). Los élitros cubren en su totalidad el abdomen; muchas especies son braquípteras, lo que significa que el segundo par de alas, que son membranosas, está reducido y esto les impide volar. Los tres pares de patas son largas y delgadas, su último artejo se llama tarso y está dividido en cinco partes, a las que se las llama tarsómeros. Al observar un carábido en vista ventral, se aprecia que el primer segmento abdominal está dividido por el primer artejo de las patas posteriores (último par de patas) llamado coxa, y el segundo artejo, el trocánter, es más grande respecto a otras familias de escarabajos. La mayoría de las especies tienen coloraciones oscuras y opacas, pero también existen muchas especies con coloraciones iridiscentes y metálicas (figuras 1 y 2).

Figura 2. Ejemplares adultos de la familia Carabidae. A) Agra sp. Fabricius, 1801. B) Galerita (Progaleritina) mexicana Chaudoir, 1872. C) Calosoma (Calosoma) aurocinctum Chaudoir, 1850. D) Calosoma (Castrida) alternans (Fabricius 1792). E) Mouhotia batesi, Lewis 1879. Escala 2 mm. Crédito: elaboración propia.

Hábitos de vida

De manera general los carábidos son considerados de hábitos terrestres y nocturnos, es decir, presentan una mayor actividad por la noche que durante el día, resguardándose en la superficie del suelo, debajo de rocas o troncos, en las ramas de arbustos y árboles, o incluso habitando cuevas. Son predominantemente cazadores (buenos depredadores) incluyendo en su menú lombrices, caracoles, larvas, huevos y otros insectos, hasta pequeños animales vertebrados como ranas (figura 3). Aunque también existen especies con otros tipos de hábitos alimenticios, siendo omnívoros (una variedad amplia de tipos de alimentos), saprófagos (materia orgánica en descomposición), necrófagos (carroña) o incluso hay quienes se alimentan de semillas, como algunas especies de la tribu Harpalini.

Figura 3. Larvas y adultos de Calosoma angulatum Chevrolat, 1834 alimentándose. A) Larvas devorando una cigarra; B) adultos devorando un anfibio Crédito: elaboración propia.

¿Por qué están en todas partes?

Como se mencionó anteriormente, los carábidos han podido dispersarse en todos los ambientes y ecosistemas que hay en nuestro planeta, encontrando grupos diversificados en los trópicos y hasta las zonas boreales (al norte del ecuador) y australes (al sur del ecuador), desde los desiertos hasta la helada tundra y desde el nivel del mar hasta elevaciones montañosas.

Pero ¿cómo es posible que puedan estar en ambientes tan contrastantes? Esta situación no se debe a un solo factor. Existen trabajos científicos que documentan el éxito de algunas especies de carábidos en determinadas zonas y ambientes. En ellos utilizan diferentes atributos ecológicos, biogeográficos y evolutivos, lo que permite dar respuesta a dicha pregunta en casos particulares. Ejemplo de lo anterior, es cómo han logrado sobrevivir algunas especies en el desierto del Sahara, para este caso las especies de carábidos dependen de los nidos de las hormigas, ya que en su estado larval se alimentan de ellas y de los recursos de sus nidos hasta alcanzar el estado adulto (Dinter et al., 2002). En contraste en Europa, se tiene conocimiento sobre la notable actividad de los carábidos en la temporada invernal, en la que son depredadores de invertebrados invernales, y a la vez constituyen una fuente de alimento para algunos mamíferos que se encuentran activos durante todo el año (Jaskuła y Soszyńska-Maj, 2011).

Importancia ecológica y bioindicadores

Hablar de la importancia y del papel que desempeñan los organismos que habitan el planeta resulta un tanto evidente, ya que los ecosistemas mantienen su equilibrio debido al roll desempañado por los diferentes grupos biológicos presentes en él.

Los carábidos cumplen un papel fundamental en los diversos procesos ecológicos en los que participan, debido a sus hábitos de vida, ya que cumplen con distintos roles en la dinámica del suelo, como la degradación de materia orgánica y la promoción de la aireación y filtración del agua (Paleologos, 2012). Además, al ser un grupo depredador, son muy útiles en el control natural de las poblaciones de otros organismos, incluyendo algunos considerados como plagas, entre ellas las larvas de moscas.

Por otra parte, gracias a su diversidad y facilidad de colecta, los carábidos son reconocidos como un grupo indicador de condiciones ambientales, debido a que tienen alta sensibilidad al entorno, respondiendo a cambios bióticos en la composición de los suelos, convirtiéndolos en una de las familias de coleópteros más utilizadas para analizar la salud ambiental, el impacto en el cambio del paisaje o evaluar la diversidad de los ecosistemas (Larochelle y Larivière, 2003).

Carábidos y la agricultura

La agricultura es una de las actividades esenciales dentro de la sociedad humana, ya que juega un papel crusial en la economía a diferentes niveles, ya sea local o regional. Gracias a los atributos depredadores de varias especies de carábidos, han sido utilizadas y estudiadas en hábitats agrícolas con distintos enfoques (Allen, 1979). Uno de los aspectos abordados, es conocer cuáles son las presas que consumen los carábidos en los hábitats agrícolas y saber si entre ellas existen organismos considerados como plaga. Otros estudios comparan las presas que consumen, en campos agrícolas, con respecto a aquellas de las que se alimentan en áreas no cultivadas, de esta manera se ha evaluado qué tan efectivos pueden ser los carábidos como controladores de plagas en los cultivos.

Uno de los temas más debatibles es la aplicación de agroquímicos como pesticidas, y los riesgos que implica su uso por la posible contaminación del suelo agrícola, los cultivos y el daño a la salud humana por su consumo. Ejemplo de esto, es la medición de las concentraciones de metales pesados o sustancias nocivas, que se hizo en campos de trigo en Italia (consecuencia del uso de pesticidas), utilizando la especie Harpalus rufipes (De Geer, 1774), un carábido depredador generalista. Se encontraron diferentes patrones de concentración en los individuos colectados, pero determinaron la presencia de importantes cantidades de metales pesados acumuladas en los carábidos, lo que destaca la capacidad regulatoria de esta especie para la absorción de dichos metales, en la que se encontró una mayor concentración de cobre, magnesio, zinc y cadmio, proporcionando datos referenciales donde se evidencian los posibles riesgos que tienen los agroquímicos hacia las tierras de cultivo (Naccarato et al., 2020).

Los carábidos en la cultura y la sociedad humana

A pesar de que nuestro mundo bien podría ser llamado “el planeta escarabajo”, en lugar de planeta Tierra (McHugh y Liebherr, 2009), debido a la gran diversidad de estos insectos, se debe considerar que lo que realmente abunda somos los seres humanos, y ya que los carábidos están por todas partes, es inevitable preguntarse: ¿qué sucede con esta interacción carábidos-humanos?

Desde los postulados de Linneo sobre la clasificación, taxonomía y nomenclatura de los seres vivos, se puede reconocer una relación entre la sociedad humana y los organismos, lo que se evidencia en los nombres con los que se conoce a los diferentes grupos biológicos. Por ejemplo, la palabra Coleoptera está conformada por los vocablos latinos koleos y pteron que significan “caja o estuche” y “alas” respectivamente, lo cual es evidente que alude a que el segundo par de alas se guarda sobre los élitros (primer par de alas endurecido) como si fuera un estuche. En la familia Carabidae, la palabra se deriva de griego karabus que significa “caminante” lo cual es una característica de este grupo de escarabajos (Zaragoza-Caballero et al., 2016).

Un aspecto social y muy importante, es conocer qué tan peligrosos pueden ser los carábidos para los humanos. La respuesta inmediata es: que son prácticamente inofensivos para las personas. Si bien algunos carábidos pueden excretar sustancias químicas, como mecanismo de defensa contra algunos organismos depredadores, esto no representa un peligro específico para los humanos, aunque es relativamente fácil identificar cuando esto sucede, debido al fuerte olor que pueden producir las sustancias excretadas. Algunas especies de carábidos, conocidas comúnmente como escarabajos bombarderos (particularmente las subfamilias Brachininae y Paussinae), poseen un par de glándulas pigidiales (esto es, al final del cuerpo) con las que “disparan” estas sustancias químicas con tal fuerza que asemeja una pequeña explosión, de ahí su apodo de bombarderos, aunque la mayoría de las especies no lo hace de la misma manera.

Como se ha comentado, los carábidos se pueden encontrar en cualquier ambiente, por lo que también están presentes en zonas con un alto grado de alteración antrópica, como las ciudades. De hecho, es frecuente encontrarlos en los suelos de parques, terrenos baldíos o en los jardines de las casas. El fenómeno de la urbanización, representa una amenaza por causar pérdida de biodiversidad a nivel mundial (Fenoglio et al., 2019) y se sabe que las poblaciones de algunas especies de diferentes grupos de insectos han ido en declive en los últimos años, debido a las múltiples actividades antrópicas (Wagner et al., 2021).

En el caso de los carábidos es difícil generalizar una consecuencia para un grupo tan grande y diverso, ya que las respuestas y sensibilidad que presentan las especies de esta familia frente a la urbanización son variables. Puede inducir a cambios en el comportamiento, en la actividad estacional (que estén activos en ciertas época del año), las condiciones fisiológicas (en sus órganos internos y funciones vitales), el tamaño poblacional (incremento o decremento del número de organismos por especie) o incluso cambios en la diversidad genética (genes), taxonómica (linajes) o funcional (papel ecológico). Por esto, la inclusión de espacios verdes dentro de las ciudades, lo más parecido a los sitios antes de ser transformado por el humano, son fundamentales para la preservación de la diversidad de estos y otros insectos, lo que también significa una función recreativa y de conservación para la biodiversidad dentro de hábitats urbanos (Magura y Lövei, 2020).

Conclusiones

Los carábidos conforman uno de los grupos de coleópteros más diversos y relevantes para nuestro planeta, han podido distribuirse y adaptarse con gran éxito a los diferentes ambientes existentes, y son uno de los grupos de insectos más antiguos y exitosos actualmente conocidos. Desempeñan un rol primordial dentro de los ecosistemas naturales y transformados por el ser humano, lo que incluso los ha llevado a ser nuestros aliados forestales. Es importante tomar en cuenta que a pesar de su aspecto agresivo, son completamente inofensivos y no representan algún peligro para las personas o animales domésticos. Su conservación es un desafío que va implícito con la propia tarea de la preservación biológica, por lo que los estudios ecológicos, biogeográficos, taxonómicos y evolutivos son esenciales para establecer un mejor conocimiento sobre este fantástico grupo de escarabajos.

Agradecimientos. A Julieta Asiain (Laboratorio de Sistemática Animal, cib–uaeh) por la toma y edición de algunas fotografías. A dos revisores anónimos cuyas sugerencias ayudaron a mejorar este trabajo.

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Recepción: 05/08/2022. Aprobación: 16/05/2023.

Resumen

La enfermedad de Parkinson es el segundo trastorno neurodegenerativo más común a nivel mundial para el cual no hay un tratamiento curativo. Esta patología se caracteriza por síntomas motores, los cuales se deben en gran medida a la muerte de un tipo específico de células en nuestro cerebro: las neuronas dopaminérgicas, llamadas así por su capacidad para producir el neuromodulador dopamina. Existe evidencia de que en esta pérdida celular participa de manera muy importante la proteína alfa-sinucleína (α-sin). En este texto, nos enfocaremos en revisar dos acercamientos de estudios recientes que buscan nuevas opciones de tratamiento para la enfermedad de Parkinson. Primeramente, se discuten los estudios que buscan la posibilidad de restituir los niveles de dopamina, partiendo del diseño de nanopartículas que regulen su estabilidad y liberación. Por otro lado, revisaremos las investigaciones dirigidas a conocer si el proceso de coliberación de neurotransmisores, como el glutamato, podría conferir a las neuronas dopaminérgicas protección contra la agregación de α-sin. Aunque se requieren más investigaciones en el área, los avances hasta ahora son prometedores, y el desarrollo de tratamientos más eficaces para esta patología podrían estar más cerca de lo que pensamos.
Palabras clave: enfermedad de Parkinson, α-sinucleína, dopamina, nanopartículas, coliberación de glutamato.

What’s new in the search to treat Parkinson’s disease?

Abstract

Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative disorder in the world for which there is no curative treatment. This pathology is characterized by motor symptoms, which are largely due to the death of a specific type of cells in our brain: dopaminergic neurons, so called because of their capacity to produce neuromodulator dopamine. There is evidence that the alpha-synuclein (α-syn) protein plays an important role in this cell loss. In this text, we will focus on reviewing two recent studies that look for new treatment options for Parkinson’s disease. First, we discuss approaches that explore the possibility of restoring dopamine levels, based on the design of novel nanoparticles that regulate its stability and release. On the other hand, we will review research aimed at finding out whether the process of co-release of neurotransmitters, such as glutamate, could confer protection to dopaminergic neurons against α-syn aggregation. Although more research is needed in the area, the advances so far are promising, and the development of more effective treatments for this pathology may be closer than we think.
Keywords: Parkinson’s disease, α-synuclein, dopamine, nanoparticles, glutamate co-release.

La enfermedad de Parkinson: más que un simple temblor

Cuando en 1817, James Parkinson describió a la “parálisis agitante” como una enfermedad crónica y de avance lento, caracterizada por temblor en reposo, rigidez muscular e inestabilidad postural, seguramente estaba lejos de pensar que ésta llegaría a ser la enfermedad motora más padecida a nivel mundial. Hoy en día, la enfermedad de Parkinson (ep) se conoce como un trastorno multifactorial y con diversos síntomas, incluidos también los no motores, como pérdida de memoria, alteraciones del sueño y del estado del ánimo, los cuales ahora sabemos que anteceden al diagnóstico de la enfermedad (ver figura 1). A lo largo de la historia, se han descubierto algunos de los procesos que conducen a la degeneración en la ep. En este trabajo, nos enfocaremos en el “detrás de cámaras” de las alteraciones motoras en esta enfermedad.

Figura 1. Sintomatología de la enfermedad de Parkinson. Diversas alteraciones no motoras (izquierda), anteceden al diagnóstico clínico motor de la EP (derecha).
Crédito: elaboración propia en BioRender.

La ep se caracteriza por la muerte de un tipo de células que predominan en el cerebro, las neuronas. Existen muchos tipos de neuronas, según su forma, función, estructuras de proyección y componentes químicos que liberan (neurotransmisores o neuromoduladores1). A aquellas neuronas que tienen la capacidad de sintetizar y liberar una sustancia química llamada dopamina, se les conoce como neuronas dopaminérgicas. La dopamina es considerada un neuromodulador por tener un amplio rango de respuesta a nivel no sólo del sistema nervioso central sino también periférico. Esto la involucra en múltiples funciones como el movimiento, procesos de aprendizaje, memoria, así como conductas motivantes.

Las neuronas dopaminérgicas se concentran en la parte central del cerebro, conocida como cerebro medio o mesencéfalo, el cual se divide en dos regiones: el área tegmental ventral (atv) y la sustancia negra pars compacta (snpc),2 siendo esta última la que se ve afectada en la ep. Durante el envejecimiento se presenta la muerte de algunas neuronas dopaminérgicas, pero en la ep su pérdida es drástica (70%). En la búsqueda de responsables, el principal sospechoso es la proteína α-sin.

Aunque necesaria para ciertos procesos neuronales como la liberación de neurotransmisores y el correcto funcionamiento de las sinapsis, la α-sin puede sufrir cambios en su estructura (mal plegamiento) que la vuelven propensa a agregarse con otras α-sin (Runwal y Edwards, 2021). Esto finalmente conduce a la formación de cuerpos de Lewy: inclusiones que se observan en la mayoría de los cerebros de pacientes que fallecieron por la ep (ver figura 2).

Figura 2. Características neuropatológicas que conllevan a las alteraciones motoras de la enfermedad de Parkinson. Izquierda. Descripción de la actividad fisiológica de las neuronas dopaminérgicas de la snpc con un enfoque en la síntesis y liberación de dopamina, así como en la correcta función y degradación de la proteína α-sin. Derecha. En condiciones patológicas, como la EP, ocurre un mal plegamiento y agregación de α-sin en cuerpos de Lewy, lo que conlleva a la neurodegeneración dopaminérgica. Crédito: elaboración propia.

Es importante destacar que las neuronas dopaminérgicas de la snpc son particularmente vulnerables a los agregados de α-sin en la ep. Entre las razones para ello está la gran cantidad de prolongaciones que presentan, término conocido como arborización axonal,3 que, a diferencia de otras poblaciones dopaminérgicas (como las del atv), demandan mayor cantidad de energía para su funcionamiento (Pacelli et al., 2015). Asimismo, esta mayor arborización implica un cambio en la regulación de las oscilaciones de calcio, proceso necesario para la actividad eléctrica de las células (ver figura 3). Todo esto contribuye en parte a la agregación de α-sin en la snpc, provocando una disminución en la producción de dopamina, lo que se refleja conductualmente en las alteraciones motoras características de la ep (Ghung et al., 2020).

De esta forma, se pensaría que la restitución de la dopamina es la clave para curar la sintomatología motora de la ep. En este contexto, la terapia actual y por excelencia es la administración de un precursor natural de la dopamina: la levodopa.3 No obstante, existen efectos secundarios asociados con este fármaco, así como su incapacidad para detener la progresión de la enfermedad, lo que ha llevado a nuevas perspectivas de estudio en la búsqueda de tratamientos. Éstos se centran en: 1) restituir los niveles fisiológicos de dopamina, incorporándola en las neuronas al utilizar nuevos materiales que permitan su estabilización y liberación controlada, y 2) disminuir la agregación de la α-sin, explorando mecanismos de regulación en las poblaciones de neuronas dopaminérgicas. Por ello, revisaremos estos dos enfoques actuales que contemplan diseñar nuevos métodos para el tratamiento de la ep.

Dopamina: un neuromodulador muy inestable

La dopamina es muy difícil de manipular: se oxida fácilmente produciendo moléculas dañinas para las neuronas dopaminérgicas. Por ello, entre las estrategias terapéuticas para la ep se han incluido compuestos que eviten la oxidación y promuevan la producción de la dopamina, asegurando que ésta no se degrade en compuestos tóxicos. Este acercamiento pareciera ser la respuesta contra la ep, mas no todo es color de rosa. A pesar de que la levodopa puede atravesar la barrera,5 presenta varias complicaciones, entre las que destacan reacciones adversas producidas por las inadecuadas concentraciones que llegan al blanco terapéutico.

Lo anterior ha obligado a que los acercamientos más recientes en la investigación básica opten por perspectivas fisiológicas, donde se pueda administrar directamente la dopamina mediante estrategias que eviten su oxidación. Aunque ha sido difícil, sorprendentemente se ha logrado en cierta medida gracias a la nanomedicina (ver figura 3), campo de la biotecnología que consiste en el desarrollo de nanopartículas que pueden ser utilizadas para mejorar la salud. A través de ella se ha logrado no sólo estabilizar a la dopamina en su estado basal (no oxidado), sino también liberarla de manera controlada (Ghazy et al., 2021).

El desarrollo de nanopartículas en modelos animales ha generado resultados prometedores en el tratamiento de la sintomatología de la ep. Particularmente, las nanopartículas capaces de administrarse por métodos no invasivos (como la vía nasal) son las que más atención están recibiendo en la comunidad científica (García-Prado et al., 2021; Trapani et al., 2021), por lo que las investigaciones continúan en estos modelos, con el fin de hacer la traslación a su aplicación clínica.

Ante esto, es importante resaltar los requisitos que cualquier acercamiento dirigido al uso de nanopartículas cargadas con dopamina debe de cumplir: 1) evitar la oxidación de la dopamina; 2) liberarla en las concentraciones y regiones cerebrales necesarias; 3) ser biocompatible, es decir, no generar toxicidad adicional a la que ya se presenta en la ep; y 4) poder atravesar la barrera hematoencefálica, de tal forma que su administración sea mediante vías no invasivas, que eviten la inyección directa en la zona afectada.

Los principales tipos de nanopartículas que cumplen con estos parámetros son: a) las poliméricas, relevantes por su biodegradabilidad y la posibilidad de administración no invasiva; b) los liposomas, con similitud a las membranas de las células humanas, que tienen una mayor eficacia de liberación controlada y una posible administración no invasiva; c) las inorgánicas, entre las que destacan las nanopartículas de oro y los puntos cuánticos; y d) las de óxidos metálicos, cuya composición superficial porosa permite la estabilización de dopamina en grandes concentraciones y su liberación controlada en tasas fácilmente modificables, mediante la síntesis a la medida de estas nanopartículas. Las propuestas son prometedoras, pero la investigación continúa para mejorarlas, siendo uno de los retos más grandes precisamente lograr cruzar la barrera hematoencefálica.

De esta forma, se busca que la administración de dopamina sea más eficiente que la levodopa, volviéndose una opción farmacológica para el tratamiento de la ep. Esto podría ocurrir una vez que estas nanopartículas sean capaces de restituir las concentraciones fisiológicas de la dopamina mediante su administración controlada, específica y no invasiva.

Salvar la acción de un neurotransmisor con la de otro

Al igual que la restitución de dopamina, si se quiere prevenir o disminuir la progresión de la ep también es crucial inhibir el daño por la agregación de α-sin. Curiosamente, la respuesta podría no encontrarse ni en la α-sin ni en la dopamina, sino en un elemento aparentemente independiente.

Esta parte de la historia comienza con las neuronas dopaminérgicas del atv, las cuales son más resistentes a la neurodegeneración en la ep, en comparación con las de la snpc. Prueba de ello es que muy pocas neuronas dopaminérgicas del atv mueren como consecuencia de esta enfermedad. Los mecanismos involucrados aún permanecen desconocidos; sin embargo, se han estudiado algunas hipótesis. La más fuerte es la ya mencionada, que hace referencia a la gran arborización axonal de las neuronas dopaminérgicas de la snpc, la cual demanda una gran cantidad de energía para solventar sus funciones. Aunque la arborización axonal de las neuronas no se puede modificar, una propuesta novedosa plantea que su funcionamiento sí.

Algunas neuronas dopaminérgicas del atv son capaces de liberar otro neurotransmisor con funciones distintas a la dopamina: el glutamato. Éste es considerado el principal neurotransmisor excitador en el cerebro, es decir, se caracteriza por aumentar la actividad eléctrica y los efectos subsecuentes de las neuronas que lo reciben. Cuando una neurona es capaz de liberar dos o más neurotransmisores, como la dopamina y el glutamato, se habla de un proceso de coliberación y de neuronas coliberadoras.

Se ha identificado que la coliberación de glutamato en las neuronas dopaminérgicas es un fenómeno conservado a través de la evolución, encontrándose en múltiples organismos como la mosca Drosophila, el pez cebra, roedores (rata, ratón), primates y humanos (Buck et al., 2022).

Diversos estudios sugieren que la coliberación de glutamato promueve el crecimiento y la conectividad axonal, así como el almacenamiento de vesículas y la liberación de la dopamina. Además, también se le relaciona con el aprendizaje mediado por recompensas (Buck et al., 2022). Todo esto contribuye a la necesidad de continuar con el estudio de la coliberación de neurotransmisores.

Curiosamente, todas las neuronas dopaminérgicas del cerebro medio (atv y snpc) expresan marcadores6 asociados con la coliberación de glutamato (como el transportador vesicular de glutamato tipo 2, VGluT2) en las etapas embrionarias tempranas, mientras que en la edad adulta muy pocas neuronas los conservan (30% en el atv y 5 a 10% en la snpc). En este sentido, la supervivencia generalizada de las neuronas dopaminérgicas del atv en la ep podría indicar que la coliberación de otro neurotransmisor, en este caso el glutamato, genera algún tipo de protección mediante propiedades aparentemente tróficas7 (ver figura 3).

Figura 3. Enfoques actuales en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson. Arriba. Características o actividades celulares que hacen vulnerables a las neuronas dopaminérgicas de la snpc en la EP. Abajo. Se proponen dos acercamientos para corregir estas alteraciones: restituir la dopamina de forma eficaz y controlada con el uso de nanopartículas (izquierda), y regular la coliberación de glutamato en las neuronas dopaminérgicas como posible neuroprotección a la agregación de α-sin. Los niveles relativos de dopamina (verde) y glutamato (rojo) se representan en el núcleo de las neuronas como gráfico de pastel (derecha). Crédito: elaboración propia.

Algo que intriga a los investigadores es que se ha encontrado que la expresión de marcadores involucrados en la coliberación de glutamato es capaz de resurgir en las neuronas dopaminérgicas de la snpc bajo condiciones similares a las presentes en la ep. Este resurgimiento cobra relevancia ya que podría ayudarnos a diferenciar entre los procesos normales de envejecimiento y los asociados con la ep. Además, la aparición de marcadores relacionados con la coliberación de glutamato parece proteger y regenerar los axones dopaminérgicos ante el daño (Buck et al., 2022).

Aunque se desconocen los mecanismos involucrados, se sugiere que la coliberación de glutamato podría salvar a las neuronas dopaminérgicas de la agregación de α-sin. Esto se atribuye principalmente a la regulación de las mitocondrias. Se sabe que el glutamato previene y disminuye especies reactivas de oxígeno que son tóxicas para las mitocondrias y para la neurona en general. Además, el glutamato sirve como fuente de energía que mantiene la síntesis de atp8 durante el estrés o daño celular (Buck et al., 2022). La combinación de estos mecanismos podría explicar la mayor resistencia de las neuronas dopaminérgicas (figura 3). Asimismo, surge la interrogante de que si estos marcadores asociados a la coliberación de glutamato podrían intervenir sobre la proteostasis de la α-sin,9 es decir, si podrían evitar su mal plegamiento o agregación en las neuronas dopaminérgicas.

Todas estas evidencias sugieren que mantener la regulación de la coliberación de glutamato en las neuronas dopaminérgicas de la snpc podría representar, hasta cierto nivel, una posible forma de prevenir la neurodegeneración ocasionada por la agregación de α-sin en la ep. Aunque las herramientas actuales limitan los estudios del proceso de coliberación, esto podría cambiar en un futuro cercano con los conocimientos y avances biomédicos que se están adquiriendo. Conocer cómo es la regulación celular entre el binomio dopamina-glutamato aportará información clave para el avance en el tratamiento de esta enfermedad.

Conclusiones

Hoy en día se están investigando dos áreas novedosas y con potencial para tratar la ep. Por un lado, se espera que la aplicación de dopamina a través de nanopartículas permita la restitución eficaz y controlada de sus niveles fisiológicos en etapas avanzadas de la enfermedad. Por otro, se están evaluando mecanismos celulares con propiedades neuroprotectoras, como la coliberación de glutamato en la snpc, que podrían aumentar la resistencia de las neuronas dopaminérgicas a la agregación de α-sin y prevenir su muerte en la ep. Gracias a los avances en nanomedicina y tecnologías que nos permiten profundizar en el conocimiento de la célula, nos acercamos al desarrollo de nuevas opciones de tratamiento de esta enfermedad incapacitante.

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Recepción: 05/08/2022. Aprobación: 16/05/2023.

Resumen

En las últimas décadas, el consumo de fructosa en México se ha incrementado dramáticamente. Este azúcar se utiliza como endulzante en refrescos, jugos embotellados, cereales, panadería, lácteos y caramelos. Su consumo diario está asociado con el desarrollo de síndrome metabólico, diabetes, obesidad y con efectos dañinos en el cerebro, que alteran el apetito, el ciclo sueño-vigilia, la neurogénesis, el aprendizaje y la memoria. El objetivo de este artículo es describir la gran variedad de efectos nocivos para la salud generados por el consumo excesivo de fructosa.
Palabras clave: fructosa, síndrome metabólico, cerebro, aprendizaje, memoria.

Fructose, that sweet enemy

Abstract

In the last decades, fructose consumption in Mexico has increased dramatically. This sugar is used as a sweetener in soft drinks, bottled juices, cereals, bakery, dairy and candies. Its daily consumption is associated with the development of metabolic syndrome, diabetes, obesity and with harmful effects on the brain that modify appetite, the sleep-wake cycle, neurogenesis, learning and memory. The aim of this article is to describe the wide variety of harmful effects on health generated by the excessive consumption of fructose.
Keywords: fructose, metabolic syndrome, brain, learning, memory.

Introducción

La fructosa, también llamada “azúcar de la fruta”, fue descubierta en 1847 por el químico francés Augustin-Pierre Dubrunfaut. Posteriormente, entre 1884 y 1894, el químico alemán Emil Fischer realizó varios ensayos para poder sintetizar fructosa de manera artificial. Gracias a sus estudios se pudo conocer la estructura química de diversos azúcares, también llamados monosacáridos. Por todas estas investigaciones, en 1902, Fischer fue galardonado con el Premio Nobel de Química (American Chemical Society [acs], 2017).

A lo largo de la vida cotidiana, el ser humano ingiere la fructosa que se encuentra de manera natural en frutas. En general, suponemos que las frutas son saludables debido a su alto contenido de vitaminas, minerales y fibra. Sin embargo, se ha cuantificado que en algunas frutas las cantidades de fructosa son significativamente altas. Por ejemplo, por cada 100 gramos de frutos secos como pasas o higos se pueden encontrar hasta 37 y 25 gramos de fructosa, respectivamente (Johnson et al., 2003).

Existen otras fuentes importantes de fructosa en nuestra dieta, como el azúcar de mesa y el jarabe de maíz de alta fructosa (jmaf). Éste es un endulzante constituido por una mezcla de fructosa-glucosa en proporciones 55-45%, y obtenido a partir de reacciones químicas que transforman la mayor parte de la glucosa del maíz en fructosa. Aunque el proceso de producción del jmaf fue descrito por primera vez en 1957, no fue sino hasta la década de los setenta que la industria alimenticia comenzó a sustituir el azúcar de caña por este endulzante. Así, desde 1980 el jmaf se estableció como uno de los principales ingredientes en la industria de refrescos, alimentos procesados, cereales y panadería, lácteos y dulcería (Khorshidian et al., 2021).

En la actualidad, una de las fuentes más importantes de ingesta de fructosa en la población son los refrescos. A finales de los años noventa, Estados Unidos ocupó el primer lugar mundial en el consumo anual per cápita de estas bebidas; sin embargo, la tendencia en ese país se ha ido paulatinamente a la baja. Los últimos reportes indican que México ocupa el primer lugar como consumidor de refrescos en el mundo, con un promedio de 163 litros por persona al año (Delgado, 2019).

Algunos estudios nutricionales han demostrado que los refrescos pueden contener aproximadamente 110 gramos de azúcares por litro, de los cuales 55% corresponde a fructosa (Ando et al., 2023). Entonces, si una persona bebe un litro de refresco diariamente, podría estar ingiriendo alrededor de 60 gramos de fructosa. Este alarmante dato está, además, subestimado, porque únicamente toma en cuenta la fructosa contenida en refrescos y omite aquella que se encuentra en cereales, pastelillos, caramelos y otros alimentos procesados (ver figura 1). De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (oms), una reducción en el consumo diario de azúcares (25 gramos por día) podría proporcionar beneficios adicionales para la salud como una reduccion de los factores de riesgo de enfermedades cardiovasculares (oms, 2020). Así, en este artículo se describirá la gran variedad de efectos nocivos para la salud relacionados con el consumo de fructosa, con el fin de concientizar a la población para evitar o reducir al máximo su ingesta en la dieta diaria.

Figura 1. Estructura química de la fructosa. Bebidas y alimentos procesados frecuentemente consumidos en México contienen altas concentraciones de fructosa.
Crédito: elaboración propia con Google Drawings.

Fructosa y síndrome metabólico

Después de que la fructosa es ingerida, pasa al intestino delgado, donde se absorbe a través de proteínas especializadas en transportar azúcares. Estas proteínas se encargan de transportarla desde el intestino hasta la sangre. Cuando la cantidad de fructosa es alta, el intestino se satura y detiene su absorción. Entonces la fructosa acumulada puede servir como sustrato para la fermentación bacteriana, lo que ocasiona disminución del movimiento intestinal, distención abdominal y gases (Carvallo et al., 2019). Además, la fructosa también puede estimular la descomposición de sustancias químicas llamadas purinas y elevar la producción de compuestos tóxicos, como el ácido úrico. El incremento de los niveles de ácido úrico en la sangre aumenta el riesgo de desarrollar gota, una enfermedad inflamatoria de las articulaciones. Pero la gota no es el único riesgo, estudios epidemiológicos han mostrado que niveles elevados de ácido úrico en sangre están relacionados con la aparición de enfermedades cardiovasculares, incluyendo hipertensión, acumulación de grasa en las paredes de las arterias, ritmo cardiaco irregular, dolor en el pecho e insuficiencia cardiaca (Saito et al., 2021).

Desde hace varios años se propuso que la ingesta excesiva de fructosa está relacionada con el desarrollo de síndrome metabólico (Gugliucci et al., 2020). El síndrome metabólico es una serie de desórdenes, que incluyen incremento de los niveles de glucosa y triglicéridos en sangre, resistencia a la insulina, bajos niveles de colesterol de alta densidad, también llamado “colesterol bueno”, obesidad abdominal y presión arterial elevada. Éstos, al presentarse en conjunto, pueden causar diabetes, enfermedades cardíacas e infartos cerebrales (nhlbi, 2022).

La insulina es una hormona secretada por las células del páncreas y es liberada al torrente sanguíneo después de la ingesta de alimentos. Su función principal es la de regular los niveles de azúcar ayudando a las células a absorber la glucosa. Cuando se presenta la resistencia a la insulina, las células no responden adecuadamente a esta hormona y, en consecuencia, se disminuye la capacidad de absorber glucosa. Como respuesta y para tratar de compensar este defecto, el organismo libera concentraciones mayores de insulina, lo que genera un estado de hiperinsulinemia o niveles excesivos de insulina en sangre. Los primeros estudios realizados en modelos animales demostraron que la administración de dietas altas en fructosa induce incrementos significativos de las concentraciones de insulina. Posteriormente, se ha observado que humanos con una dieta diaria suplementada con fructosa presentan niveles elevados de glucosa en sangre y resistencia a la insulina (Ter Horst et al., 2016).

Además, la fructosa es un compuesto altamente lipogénico, o sea, que favorece la síntesis de ácidos grasos. Estos ácidos grasos son la base para la producción de triglicéridos, principalmente en el hígado y en el tejido graso. Así, el consumo de fructosa promueve el depósito de grasa en el organismo, que, en consecuencia, está directamente relacionado con el desarrollo de obesidad (Gugliucci et al., 2020; ver figura 2).

Figura 2. El consumo de fructosa está asociado con el desarrollo de síndrome metabólico, caracterizado por obesidad, diabetes, hipertensión e hígado graso.
Crédito: elaboración propia con Google Drawings.

La prevalencia mundial del síndrome metabólico es preocupante, algunos estudios indican que ocurre en 20 a 25% de personas adultas y hasta en 19% de niños. En otras palabras, más de 1000 millones de personas en el mundo están ahora mismo siendo afectadas por este síndrome. En México las cifras son similares y se ha informado que la prevalencia es alrededor de 26% en adultos y de 20% en niños y adolescentes. Estas cifras están estrechamente ligadas al sobrepeso y la obesidad presentes en nuestra población (Rivera-Dommarco et al., 2018). Por lo tanto, todos estos desórdenes se han convertido en un serio problema de salud pública.

Efectos nocivos de la fructosa en el cerebro

Algunas investigaciones han mostrado que la fructosa puede concentrarse en el cerebro, lo que altera su función normal. Pero también se ha propuesto que los efectos nocivos se deben a la acumulación de otros compuestos tóxicos en la sangre (como el ácido úrico).

El impacto de la fructosa en el cerebro ha sido estudiado principalmente en dos regiones cerebrales: hipotálamo e hipocampo. El hipotálamo es una región localizada en la parte central inferior del cerebro y coordina funciones fisiológicas, como la temperatura corporal, el apetito y el ciclo sueño-vigilia. Existen dos hormonas que actúan en el hipotálamo y son determinantes en el control del apetito: la grelina y la leptina. La grelina, también conocida como “hormona del hambre”, se presenta cuando tenemos apetito. Por el contrario, la leptina, u “hormona de la saciedad”, nos ayuda a sentirnos satisfechos. Estas dos hormonas establecen un delicado equilibrio para regular el hambre y la saciedad (Bouret, 2017). El consumo de bebidas endulzadas con fructosa causa un incremento en los niveles de la grelina y una disminución de la hormona de la saciedad (leptina). De esta manera, la fructosa promueve la ingesta continua de alimentos al inhibir la señal de saciedad. Además, este azúcar tiene un poder endulzante mucho mayor que el de la sacarosa o azúcar de mesa, por lo tanto, es más placentero al paladar (Kisioglu y Nergiz-Unal, 2020).

Existen otras pequeñas moléculas, llamadas orexinas, que se sintetizan en el hipotálamo y juegan un papel muy importante en la regulación del ciclo sueño-vigilia. Hace varios años se descubrió que la narcolepsia se origina por la disminución de los niveles de orexinas en el cerebro. Los pacientes con narcolepsia presentan alteraciones del ciclo sueño-vigilia: súbitamente se quedan dormidos a lo largo del día. En la actualidad se considera que las orexinas son moléculas promotoras de vigilia, es decir, las concentraciones en el cerebro son altas durante el día y nos ayudan a mantenernos despiertos (Sánchez-García et al., 2019). Estudios realizados en roedores determinaron que el consumo diario de fructosa eleva los niveles de orexinas en el hipotálamo. Asimismo, se observó que este azúcar modifica el ciclo sueño-vigilia, incrementando el tiempo que los roedores pasan despiertos y, por el contrario, disminuyendo su período de sueño (Franco-Pérez et al., 2018). En resumen, la fructosa afecta de forma significativa funciones fisiológicas transcendentales que son reguladas por el hipotálamo.

El hipocampo es otra región cerebral, la cual tiene forma semejante a los caballitos de mar (de allí su nombre), que está localizada en la parte media del cerebro. Esta estructura regula la memoria espacial, que permite ubicarnos en el espacio y llegar a algún lugar utilizando señales del entorno. Sin embargo, el hipocampo puede ser susceptible al deterioro en respuesta a diferentes condiciones patológicas. Así, enfermedades como la epilepsia o el Alzheimer inducen daño en el hipocampo y los pacientes desarrollan amnesia, o pérdida de recuerdos, así como trastornos en la memoria espacial. Además, el hipocampo es una de las dos únicas regiones cerebrales en donde se generan nuevas neuronas. Este proceso, llamado neurogénesis, involucra el “nacimiento” y migración de nuevas células en el sistema nervioso central. En general, se asume que este proceso persiste en el cerebro adulto y que las condiciones que incrementan la tasa de neurogénesis (como correr periódicamente) mejoran las habilidades cognitivas como el aprendizaje y la memoria (Olivares-Hernández et al., 2015).

Desde hace una década se determinó que el consumo prolongado de fructosa causa déficits en la memoria espacial. Varios estudios de laboratorio describieron que los roedores que consumían fructosa eran incapaces de aprender y recordar donde se encontraba la plataforma o el túnel de escape en diversos laberintos. Asimismo, el exceso de fructosa en la dieta es una condición que inhibe completamente la neurogénesis en el hipocampo. Por lo tanto, algunos científicos han propuesto que la pérdida de memoria observada después de consumir diariamente fructosa está relacionada con la inhibición de la neurogénesis (Fierros-Campuzano et al., 2022).

También se ha observado que este azúcar genera otros procesos patológicos como neuroinflamación en el hipocampo (ver figura 3). La neuroinflamación es una respuesta muy compleja, que está caracterizada por la liberación de moléculas tóxicas que a la larga pueden inducir la muerte de las neuronas en el cerebro. Con base en lo anterior, se ha propuesto que el consumo de fructosa puede ser un factor que favorezca el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas caracterizadas por pérdida de memoria, como el Alzheimer (Johnson et al., 2023).

Figura 3. A largo plazo, la fructosa induce una gran variedad de alteraciones en el cerebro.
Crédito: elaboración propia con Google Drawings.

Conclusiones

La fructosa es una azúcar que se encuentra de forma abundante en muchas frutas. Sin embargo, en la actualidad, la principal fuente de ingesta de fructosa es el jmaf. En las últimas décadas la producción industrial de jmaf se ha incrementado exponencialmente debido a su constante uso como principal endulzante en una gran cantidad de bebidas y alimentos procesados. La fructosa ha sido descrita como un agente causante de síndrome metabólico, el cual está caracterizado por la presencia conjunta de obesidad, diabetes, niveles altos de triglicéridos en sangre e hipertensión. Al mismo tiempo, el consumo diario de fructosa está asociado con efectos dañinos en el cerebro. Estos efectos incluyen: alteración en la regulación del apetito, cambios en el ciclo sueño-vigilia, inhibición de la neurogénesis, déficit de aprendizaje y pérdida de memoria. Tomando en cuenta todos los hallazgos descritos, debemos considerar que la fructosa es un dulce enemigo que está relacionado con algunos de los principales problemas de salud pública en México.

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Recepción: 7/12/2021. Aprobación: 27/07/2023.

Resumen

Durante las últimas décadas se han estudiado diferentes maneras de obtener nanomateriales (materiales que presentan tamaños de partícula hasta cien mil veces menor que un cabello humano). Los métodos tradicionales de síntesis requieren altas temperaturas y presiones, con el fin de obtener materiales con características específicas, como la cristalinidad, o el arreglo que tienen los átomos cuando forman una estructura. Para alcanzar estas altas temperaturas se emplean técnicas de calentamiento por convección o conducción, que suelen tomar varios días en obtener el resultado deseado. Es por ello que es importante buscar rutas que sean fáciles, rápidas, económicas y comercialmente viables para la producción de nanomateriales; una de las más importantes y versátiles investigadas en los últimos años es el uso microondas. Las microondas son ondas eléctricas y magnéticas generadas artificialmente, que provocan que las moléculas aumenten su movimiento, generando un sobrecalentamiento de manera fácil y rápida en una sustancia. Por lo anterior, una síntesis asistida por irradiación de microondas permite obtener nanomateriales con características específicas, ajustables a las necesidades de aplicación, como el tamaño y tipo de distribución de poros, el área superficial específica y la cristalinidad, que dependen en gran medida del tiempo, frecuencia y potencia de irradiación. Además, con el uso de las microondas se logra disminuir el tiempo que se emplea para la obtención de nanomateriales. Así, en este texto se abordará la importancia del uso de las microondas en la síntesis de nanomateriales a través de un contexto aplicativo y se dará una breve descripción histórica.
Palabras clave: microondas, síntesis, nanomateriales.

Microwaves in the synthesis of nanomaterials

Abstract

During the last decades, different ways of obtaining nanomaterials (materials that have particle sizes up to 100,000 times smaller than a human hair have been studied. Traditional synthesis methods require high temperatures and pressures in order to obtain specific characteristics such as crystallinity, that is, the arrangement that atoms have when they form a structure. To obtain high temperatures, convection or conduction techniques are used, which usually take several days for the desired result. That is why it is important to look for routes that are easy, fast, economical, and commercially viable to produce nanomaterials; currently, one of the most important is the use of microwave irradiation (exposure to radiation). Microwaves are artificially generated electrical and magnetic waves that cause molecules to collide with each other easily and quickly, causing overheating in a substance. Therefore, a synthesis by microwave irradiation allows to obtain nanomaterials with specific moldable characteristics that depend to a large extent on time, frequency, and irradiation power, such as size and type of pore distribution, specific surface area, and crystallinity. In addition, with the use of microwaves it is possible to reduce the time used to obtain such nanomaterials. Thus, in this text, the use of microwaves in the synthesis of nanomaterials will be addressed, in order to explain its importance through an application context and a brief historical description.
Keywords: microwave, synthesis, nanomaterials.

Introducción

Los nanomateriales son aquellos cuyo tamaño en cualquiera de sus dimensiones se encuentra entre 1 y 100 nanómetros (100,000 veces menores que un cabello humano). Obtener estos tamaños es posible gracias a la manipulación controlada de la estructura de los materiales por medio de técnicas de síntesis basadas en la modificación de la física, la química, la biología y la ciencia de los materiales (Gleiter, 2000; Silva y Medina, 2022).

En la actualidad, los nanomateriales pueden clasificarse de acuerdo con su aplicación, su estado de aglomeración, su morfología o forma, y su estructura. No obstante, la dimensión de la partícula es la característica más utilizada y completa, ya que de ella depende de la forma y el tamaño que presente. En la figura 1 se muestra un esquema de la clasificación por la dimensión del nanomaterial en el que se señalan todas las dimensiones de las estructuras que se encuentran entre 1 y 100 nm (Martínez-González et al., 2022).

Figura 1. Clasificación de nanomateriales por sus dimensiones: cero dimensional (0D) indica que todas sus dimensiones se encuentran entre 1 y 100 nm, unidimensional (1D) muestra que dos de sus dimensiones se encuentran en el orden nanométrico, bidimensional (2D) presentan una sola dimensión que es menor a 100 nm y tridimensional (3D) indica que todas sus dimensiones son superiores a 100 nm.
Crédito: elaboración propia.

Dentro de los múltiples métodos de obtención de nanomateriales que se han desarrollado en los últimos años, el uso de la irradiación con microondas ha generado muchísima atención. Esto se debe a que permite obtenerlos con propiedades texturales, de forma, cristalinidad, distribución y tamaños de partícula específicos, a través de la optimización de condiciones como la potencia y frecuencia de irradiación. Asimismo, permite la disminución del tiempo de síntesis, acortando a segundos reacciones que por métodos de calentamiento normales tardan hasta 72 horas (Jhung et al., 2006; Rivera et al., 2009). Todo esto se logra gracias a que un horno de microondas genera ondas eléctricas y magnéticas que tratan de alinerase a los dipolos de las moleculas, es decir, a su parte negativa y positiva y, al hacerlo, orientan el crecimiento de las partículas.

Descubriendo las microondas

De manera general, es posible definir las microondas como una forma de energía electromagnética (interacción entre el magnetismo y la electricidad), que se encuentra en el extremo más bajo del espectro electromagnético (radiación que se propaga en el espacio en forma de ondas; ver figura 2). Este tipo de energía se ubica en longitudes de onda (espacio que hay entre una onda y otra) de 1 a 10^-3 m, entre la radiación de infrarrojo y las ondas de radio, a frecuencias (número de ondas que pasan por un punto en un determinado tiempo) entre 0.3 y 300 GHz (Tompsett et al., 2006).

Figura 2. Espectro electromagnético.
Crédito: elaboración propia.

Con su descubrimiento, el uso de las microondas comenzó a popularizarse, principalmente en el hogar. El primer horno de microondas comercial fue desarrollado en la década de los años 40 por P. Spencer en la compañía Raytheon (Loupy, 2004). Spencer construía magnetrones para los equipos de radar durante la Segunda Guerra Mundial. En una ocasión mientras observaba un radar, se dio cuenta de que el chocolate que traía en su bolsillo se había calentado, lo cual detonó su curiosidad y comenzó a investigar. Él dedujo que al colocar el magnetrón dentro de una caja de metal y al disparar las ondas eléctricas y magnéticas, éstas tenían un efecto de calentamiento en los alimentos que se colocaban dentro.

En los primeros años de investigación enfocada en el estudio del efecto de las microondas en las síntesis de compuestos químicos, los hornos de microondas domésticos fueron de gran utilidad para estudiar todas las propiedades que pueden ser modificadas o controladas en el desarrollo de nanomateriales. Los hornos de microondas operaban a una frecuencia de 2.45 GHz y era posible controlar la temperatura a través de sondas externas, que interrumpían la irradiación cuando el sistema llegaba a la temperatura deseada (Tompsett et al., 2006). Una de las características más importantes del valor de esta frecuencia en el proceso de síntesis es que la energía transmitida por los fotones (partículas elementales de la luz) es relativamente baja (0.0016 eV), por lo que no es posible romper los enlaces químicos de los reactivos involucrados, inhibiendo la generación de reacciones químicas.

Hoy en día, los hornos que se basan en microondas cuentan con un amplio rango de aplicaciones, que incluyen la esterilización, y el secado y síntesis de compuestos orgánicos e inorgánicos, por mencionar algunos. Haciendo énfasis en las reacciones de síntesis, parte de la energía de las microondas se absorbe por el nanomaterial y se transforma en calor, lo que permite que la temperatura se incremente de manera puntual. De una forma más técnica, el calentamiento se realiza con la energía suficiente (0.037 kcal/mol) para afectar únicamente a las moléculas, mas no a la estructura (la estructura se ve afectada con energías de entre 80 y 120 kcal/mol). Así, la energía de estas ondas sólo permite calentar de manera uniforme grandes secciones, sin afectar su composición química (Jubri et al., 2012).

Sintetizando nanomateriales con microondas

Durante el proceso de síntesis con microondas, las ondas electromagnéticas se dirigen directamente a las moléculas, lo que conduce al aumento de la polaridad (polo positivo y negativo en una molécula) de la solución. Este efecto provoca que las moléculas pasen de su estado fundamental (forma de una molécula sin reaccionar) al estado de transición (forma de las moléculas cuando se aplica energía), generando un rápido aumento de la temperatura en el núcleo de la mezcla de reacción. El proceso da como resultado un calentamiento más rápido y uniforme de la solución (ver figura 3). Este calentamiento no depende directamente de la conductividad térmica (capacidad para conducir el calor) del nanomaterial, sino de la alineación de los polos de las moléculas (positivos y negativos) presentes en el medio, lo cual es posible controlar gracias a la potencia y frecuencia con la que son irradiados los reactivos con las microondas (Kappe, 2004; Kappe y Dallinger, 2006).

Figura 3. Interacción entre las microondas y las moléculas.
Crédito: elaboración propia.

El uso de microondas proporciona varias ventajas dentro de los procesos de síntesis, tales como el rápido calentamiento y el calentamiento y la reducción de los gases sin afectar la estructura. Gracias a estas ventajas, se mejoran las propiedades y la posibilidad de obtener nuevos nanomateriales y compuestos (Jubri et al., 2012).

Los hornos de microondas comúnmente utilizados en la síntesis constan de seis componentes básicos:

1. El generador de microondas, también llamado magnetrón.
2. La guía de ondas, la cavidad de microondas.
3. El agitador (ondas a extenderse).
4. El termostato.
5. El aire de escape.

Estos componentes siguen una secuencia para poder generar las ondas electromagnéticas. Primero, el magnetrón produce las ondas que son propagadas directamente en la cavidad del horno, en donde un difusor (separador) las distribuye en diferentes direcciones para ser absorbidas por las moléculas presentes en el medio irradiado (ver figura 4; Arruda y Santelli, 1997).

Figura 4. Radiación en un horno de microondas.
Crédito: elaboración propia.

En la síntesis por microondas se deben tomar en cuenta diversos factores, como el pH de la solución, potencia, tiempo del calentamiento, agitación, presión y temperatura (Tompsett et al., 2006). Al controlar todos estos factores durante el proceso de formación de nanomateriales, es posible controlar las propiedades texturales como área específica, tamaño y volumen de poro y, las propiedades morfológicas, como el tamaño y la textura de partícula (Zarazúa-Aguilar et al., 2018).

Dentro de los nanomateriales obtenidos con esta técnica, encontramos las arcillas, de las cuales los hidróxidos dobles laminares o compuestos tipo hidrotalcita son los que se sintetizan más frecuentemente. El proceso es muy común y consta de una serie de pasos que involucran la combinación de los diversos reactivos en un medio controlado bajo agitación constante; posteriormente, cuando se han mezclado, se hace uso de las microondas bajo condiciones de tiempo y temperatura determinadas. El uso de microondas disminuye el tiempo de síntesis y promueve la formación de un nanomaterial más uniforme y con tamaños de partícula más pequeños (Velázquez-Herrera y Fetter, 2022), en comparación con el uso de un método común de calentamiento, como en una autoclave, el cual es muy parecido a una olla de presión con la que se cocinan alimentos.

Conclusiones

Las microondas han ayudado al ser humano en diversas tareas, desde calentar agua para prepararse un café o un té, hasta obtener los más sofisticados y mejores nanomateriales, que se pueden usar para diversas aplicaciones en medicina, remediación de medio ambiente, ingeniería, etcétera. Desde el descubrimiento de su uso en nanomateriales, se han sintetizado diversos tipos, de los que se han estudiado las características de estructura y textura obtenidas por este método, optimizando al mínimo los tiempos de síntesis, y conociendo los parámetros de control. Así, cada nanomaterial puede ser diseñado de manera tal que cumpla con propiedades físicoquímicas específicas o con una función en particular, dependiendo de la naturaleza de aplicación.

Referencias

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Recepción: 08/2/2022. Aprobación: 27/07/2023.