Ciencistorias

VIAJE ALUCINANTE. EL COMIENZO DE TU HISTORIA

La historia tradicional griega relata que Filípides (530-490 a. C.), un heraldo ateniense, fue enviado a Esparta para pedir ayuda cuando los persas desembarcaron en Maratón (Grecia). El recorrido era de 240 km y se completó en apenas dos días. Tras recibir la negativa de los espartanos, y una vez terminada la guerra, el mensajero corrió 42 km desde el campo de combate hasta Atenas para anunciar que los griegos habían vencido en la ahora famosa Batalla de Maratón. Al llegar, Filípides expresó: “Hemos vencido”, y al instante murió debido a las heridas causadas en batalla.

Este es un magnífico relato épico; sin embargo, no es siquiera comparable con una de las historias más sorprendentes de la naturaleza humana. En esta ardua competencia, la muerte está presente en todo momento, los participantes no pueden retirarse, y no es posible regresar; no obstante, nadie se rinde y solo habrá un ganador. Este grandioso esfuerzo es la razón por la cual puedo escribir estas letras y ustedes leerlas. Se trata del extraordinario viaje que deben realizar los espermatozoides en su carrera hacia el encuentro con el óvulo.

MUCHOS PARA UNO

La reproducción sexual de organismos multicelulares y complejos, como los humanos, implica crear un nuevo individuo provisto de un material genético diferente al de sus progenitores. En palabras de Eduardo Punset: “El padre y la madre no cambian, la gran novedad es el hijo”. Para que este sofisticado proceso se lleve a cabo, dos células germinales, una por cada progenitor, deben unirse en una sola nueva estructura. Es notable la disparidad entre las células germinales masculina y femenina. Los espermatozoides son de tamaño minúsculo, y se generan por millones; mientras que los óvulos son mucho mayores y se producen de a uno.

Los testículos de un hombre sano producen aproximadamente 1 000 espermatozoides por cada latido del corazón. De hecho, la historia empieza dos meses antes, el tiempo que se toman para formarse y madurar. Los espermatozoides esperan en el epidídimo, un canal de 6 metros de longitud replegado sobre sí mismo. Cuando la excitación es máxima, movimientos peristálticos y la contracción de músculos y vesícula seminal expulsan esperma a una impresionante velocidad de 30 km por hora, con un contenido de 250 millones de espermatozoides que inician el viaje hacia el cuerpo de la mujer.

La primera pregunta es: ¿por qué tantos espermatozoides? La respuesta nos la entrega la evolución. Es bien conocido que nos separamos, evolutivamente hablando, de los actuales chimpancés hace unos siete millones de años. En la sociedad chimpancé, varios machos viven junto con las hembras del grupo, por lo que tanto machos como hembras copulan con diferentes compañeros en un lapso muy corto. El chimpancé que produce mayor cantidad de espermatozoides tiene la ventaja en la competencia paternal con otros machos.

Se cree que con nuestros ancestros primates ocurrió algo muy similar cuando convivíamos y competíamos por la supremacía genética con otras especies de homínidos. De esto hace ya, al menos, un millón de años. Al presente, según los expertos, un contenido por debajo de 20 millones de espermatozoides por mililitro genera problemas en la fertilidad, y se diagnostica la oligoespermia o escasez de espermatozoides. En algunos casos también puede ocurrir la azoospermia o ausencia total de espermatozoides. Sin embargo, este no es el único punto a tomar en cuenta. Para conseguir la fecundación también es muy importante que los espermatozoides tengan la forma y movilidad adecuada, lo que importa es el balance entre la resistencia de la cabeza y el impulso de la cola. Las alteraciones en morfología o en cantidad hacen muy difícil o incluso imposible la concepción. Según estimaciones actuales, en un hombre fértil promedio solo del 35 al 40 % del contenido espermático tiene la forma y el tamaño adecuados. El restante 60 % apenas empezará la carrera hacia la fertilización del óvulo femenino. Las propias fallas físicas de los espermatozoides constituyen el primer escollo grave a resolver; pensando en Darwin: “Solo los más aptos podrán continuar”.

Ya que entramos en tema, y antes de empezar con la carrera, ¿por qué las mujeres presentan solo uno, o en casos extremos, dos óvulos con opción a ser fecundados? La respuesta aquí tiene que ver con que las hembras (de los primates en general) producen cada mes la cantidad de óvulos que permite el número máximo de crías con garantías de éxito en el momento del parto; lo cual, a su vez, está directamente relacionado con el tamaño de la cría al nacer. En el caso de los humanos, el número habitual de bebés por parto es de uno, por eso las mujeres producen un solo óvulo maduro al mes. Excepcionalmente, algunas mujeres pueden llegar a producir dos óvulos maduros al mes que, en caso de ser fecundados (por espermatozoides diferentes), dan lugar a mellizos.

Ahora pongámonos en materia. La probabilidad de que un espermatozoide encuentre y fecunde el único óvulo femenino es muy baja; eso también explica por qué en los hombres se produce un número tan elevado de espermatozoides, ya que de esta manera las probabilidades de fecundación aumentan. En forma general, las posibilidades de embarazo en parejas saludables menores de 30 años y que tengan relaciones sexuales con regularidad son aproximadamente de un 25 a un 30 % mensual, lo cual nos pone en perspectiva de la dificultad del viaje que deben realizar los espermatozoides.

EL TERRIBLE COMIENZO

Para un espermatozoide, la vagina es como un cordón montañoso, con muros de hasta un kilómetro y medio de alto. A partir de aquí todo conspira en su contra. El pH de la vagina, que contiene ácido láctico y acético (responsables del agrio de la leche y del sabor del vinagre, respectivamente), se constituye en un asesino sin piedad. Por suerte hay algo de ayuda: la lubricación vaginal y, sobre todo, el líquido que acompaña a los espermatozoides reduce la acidez en segundos. Aquellos espermatozoides que no murieron corroídos por el ácido pueden continuar el viaje. Desde este momento las cifras ya son impresionantes; después de solo 30 minutos en el interior de la vagina el 99 % de los espermatozoides está muerto o agonizando. Al momento, dos millones de sobrevivientes cruzan el interior de la vagina buscando el cuello del útero desesperadamente; pero aquí nada es fácil, un nuevo inconveniente aparece en el camino: la distancia es inmensa, literalmente está fuera de alcance.

El proceso de acercamiento hacia el cuello del útero solo puede ser exitoso en el caso de que la mujer se encuentre cerca del periodo de ovulación, de otra forma el cuello estará bloqueado. En ese preciso momento las hormonas femeninas, los estrógenos, suavizan la mucosa cervical que durante el resto del mes sella el cuello para protegerlo. La mucosa suavizada baja desde el cuello uterino y recorre hacia la vagina en forma de un gel ligeramente viscoso. Para los espermatozoides es como si una red cayese desde el cielo, deben asirse y usarla para poder alcanzar su objetivo. Después de luchar contra la gravedad, solo unos 600 000 logran superar la etapa.

LA ENCRUCIJADA

Ahora se encuentran en el cuello del útero. Este es una maraña de laberintos en donde la mayoría de los espermatozoides pierde el camino. En alusión a la cultura popular, “no todos los caminos conducen a Roma”, muchos caminos no tienen regreso, y algunos son tan estrechos que solo permiten el paso de un corredor. Existe un problema adicional: si el espermatozoide consume su energía en la vía equivocada, no alcanzará para el regreso y tendrá una lenta y terrible muerte. Menos del 1 % de los espermatozoides que llegan al cuello uterino logran sobrevivir. Para ellos, nuevamente el cuerpo femenino brinda algo de esperanza. En caso de existir contracciones uterinas, una parte de los atletas escala rápidamente el cuello del útero con mayor probabilidad de éxito. Dichas contracciones son similares a las que ocurren durante el parto (reflejo de Ferguson) y son el resultado de una serie de secreciones hormonales, y, según se cree, la oxitocina es la responsable de tal efecto cuando se segrega en el cerebro como resultado del orgasmo.

El viaje ha durado dos horas y solo los 3000 espermatozoides que están en mejor forma, y que no se pierden en el trayecto, tendrán que enfrentar al sistema inmunológico femenino en el interior del útero. Desde el punto de vista femenino, los espermatozoides son invasores. El sistema de defensa destruye las células extrañas, ya que considera que los espermatozoides son potenciales causantes de daño, o que podrían propagar infecciones. La lucha es desigual, los espermatozoides no tienen armas ni defensas, y los glóbulos blancos responsables de aniquilarlos son más grandes, más numerosos y, aún peor, cazan en grupo. La única respuesta de los espermatozoides es su velocidad. Aquellos que alcanzan a huir continuarán la carrera. Unas cuantas docenas logran llegar al extremo del útero y buscan la trompa de Falopio. Cuando un óvulo va a ser liberado de una determinada trompa, el útero realiza contracciones que envían los espermatozoides hacia la trompa correcta. No obstante, los problemas continúan. Las trompas de Falopio son selectivas, poseen un sistema de reconocimiento celular, por lo cual los espermatozoides sin la “contraseña” correcta no serán aceptados.

LLEGA LA CALMA

Una vez en la trompa de Falopio, por fin los espermatozoides elegidos tienen un respiro. Los corredores pueden descansar, protegerse y recobrar energía. Esta pausa también les sirve para permitir un proceso de maduración que facilita su papel en la fecundación. Los espermatozoides pueden sobrevivir en las trompas entre 24 y 60 horas. Si el momento es el adecuado y se ha producido la ovulación, las cosas son muy favorables (ya era hora). Hay que recordar que cuando el óvulo abandona el ovario, penetra en la trompa de Falopio adyacente y es impulsado hacia el útero gracias a unas proyecciones denominadas cilios, que se localizan en la superficie interna de la trompa. Si el óvulo se encuentra con el espermatozoide en su interior, donde tienen lugar la mayoría de las fecundaciones, se implantará en el útero bajo condiciones óptimas.

El viaje del espermatozoide hacia el encuentro final, en la trompa, puede ocurrir en tan solo unos pocos minutos, gracias a la ayuda proporcionada por dos mecanismos de atracción entre espermatozoide y óvulo. El primero es químico y se llama quimiotaxis (dirección química). En este proceso el óvulo atrae a los espermatozoides mediante la liberación de una sustancia química. El segundo tiene que ver con una ligera diferencia de temperatura en sectores de la trompa de Falopio una vez ocurrida la ovulación. Esta agradable temperatura permite que los espermatozoides vayan hacia el encuentro con el óvulo. Este mecanismo toma el nombre de termotaxis (dirección térmica), y está ausente cuando no hay ovulación. Se sabe que a determinadas distancias el mecanismo responde a un modelo de termotaxis, mientras que a distancias menores opera el modelo de quimiotaxis. Por el momento no se conoce con certeza la naturaleza de las sustancias quimioatractivas, que podrían ser péptidos (asociaciones de aminoácidos) termoestables que modulan la forma de nadar del espermatozoide, ni los mecanismos moleculares del proceso de termotaxis. Regresando al punto, para los espermatozoides han transcurrido aproximadamente ocho horas, a partir de este momento se aprestan al recorrido final, al encuentro con el óvulo.

ÚLTIMA ETAPA

Es el momento del sprint final. El ganador obtiene la gloria; los perdedores, la muerte. El objetivo es alcanzar y penetrar el óvulo. El nuevo enemigo es el tiempo, todo depende de cuánto vive el óvulo. Si los espermatozoides llegan demasiado temprano, morirán sin lograr la meta; si llegan demasiado tarde, el óvulo estará muerto. Se necesita una sincronización extrema para tener éxito. Los corredores partieron hace 14 horas, en el mejor de los casos quedan no más de 20 héroes. Una vez que se acercan a la meta deben resolver el último dilema: penetrar la capa externa del óvulo y finalmente fecundarlo.

Un espermatozoide “reconoce” a un óvulo cuando las proteínas de la cabeza del espermatozoide se encuentran con las moléculas adecuadas en el revestimiento externo o zona pelúcida del óvulo. Para fertilizar un óvulo, el espermatozoide debe unirse a esta zona, penetrar a través de ella y fusionarse con su membrana plasmática. Nuevas investigaciones demuestran que las glicoproteínas (moléculas compuestas por una proteína unida a uno o varios glúcidos, que son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno —mal denominadas carbohidratos—) que forman la zona pelúcida poseen receptores y activadores para los espermatozoides, lo cual facilita la fecundación. Específicamente, la unión del espermatozoide al óvulo se debe a la abundancia de una secuencia de moléculas de azúcar (un glúcido) llamada sialil-Lewis-x (SLeX) en los extremos de las glicoproteínas de la zona pelúcida. Si lo miramos fríamente, se puede decir que el espermatozoide se ve seducido por el “dulce azúcar” del óvulo. Una vez atraído, el ganador debe sacrificarse al máximo. La cabeza del espermatozoide explota y libera enzimas que permiten el ingreso hacia el óvulo, y la cola se corta una vez que el óvulo devora al ganador; de esta manera, se combina la información genética del portador y la suya propia. Al fusionarse las dos células, una “sinfonía” genética se hace presente, en donde el ganador ha entregado su propia vida para generar otra, única e irrepetible.

Sin el esfuerzo y éxito de ese espermatozoide específico no estaríamos aquí, y nuestros padres habrían tenido otro hijo o hija con características completamente diferentes. Así como el griego Filípides anunció la victoria en batalla, nosotros, que debemos todo al espermatozoide ganador, decimos: ¡Muchas gracias, campeón! ■

EL TAMAÑO SÍ IMPORTA. CIFRAS INSIGNIFICANTES

Un eminente sabio ha sido víctima de un intento de asesinato, yace en estado de coma a causa de un coágulo de sangre en el cerebro. En su mente lleva un secreto de extraordinaria importancia para la supervivencia de la humanidad. Una operación implica su muerte. Un grupo de científicos resuelve miniaturizar a un equipo de médicos y técnicos, con todo su instrumental, e inyectarlo en el sistema circulatorio del enfermo… Este corto relato es parte de una historia de ficción, recreada en el libro Viaje alucinante, del genial Isaac Asimov, hace ya casi 50 años. Esto aún sigue siendo parte del mundo de la fantasía; no obstante, el avance de la ciencia hacia el mundo de lo pequeño es extraordinario.

Comencemos con una pregunta simple: ¿cuál es el menor tamaño que se puede observar a simple vista? Bajo condiciones adecuadas de iluminación, nuestros ojos pueden detectar hasta un objeto de al menos una décima de milímetro de tamaño, equivalente al espesor de una hoja de papel; sin embargo, el ojo no es el mejor de los receptores de imagen. Para mirar objetos más pequeños debemos usar lupas, microscopios ópticos, microscopios de transmisión electrónica, microscopios electrónicos de barrido o de efecto túnel. Con estos últimos podemos alcanzar el tamaño de los átomos. Esto significa que la unidad convencional que usamos para la medida de lo pequeño, el milímetro (10^-3 metros), debe cambiar.

ENTRE MICRAS

Si de observar células de animales o plantas se trata, la herramienta adecuada es un microscopio óptico, que permite llegar hasta las micras. Una micra corresponde a la milésima del milímetro (10^-6 metros). La célula más grande que tiene un ser humano, de género femenino para el caso, es el óvulo. Su diámetro llega a 140 micras. La célula más pequeña la contienen los varones, y corresponde al espermatozoide, con un diámetro mayor de apenas 2 micras (sin la cola). El resto de las células de nuestro cuerpo tienen un diámetro promedio de unas 10 micras. El microscopio óptico permite incluso mirar bacterias como la Escherichia coli, con unas 0,8 micras de diámetro. No obstante, si se quiere ver más o, mejor dicho, menos, se debe cambiar de microscopio y de unidad de medida. El instrumento necesario es el microscopio electrónico; con él podremos observar a un virus poliédrico, que se asemeja a una minúscula cápsula espacial de unos 50 nanómetros de diámetro. La unidad necesaria para la medición, el nanómetro, corresponde a una millonésima de milímetro (10^-9 metros).

MENOS Y MENOS

Pese a nuestro esfuerzo, esto no es lo más pequeño a lo cual podemos llegar. Pensemos que una de las proteínas de nuestro cuerpo, la hemoglobina, la responsable del transporte de oxígeno, tiene una longitud de apenas 7 nanómetros, y los átomos que la constituyen son más pequeños aún. El tamaño de un átomo debe medirse en picómetros (10^-12 metros), la milésima parte de un nanómetro. Para nuestro regocijo (o indignación), los átomos también pueden dividirse en partes: los electrones y el núcleo. El núcleo está estructurado por protones y neutrones. El tamaño de un protón es de 100 atómetros, unos 10 000 picómetros. Una bonita analogía para definir un átomo, sin ser estrictamente científica, dice que el tamaño de un átomo es a una naranja como una naranja al tamaño del planeta Tierra.

NANO

La parte de la ciencia que estudia lo muy pequeño se llama mecánica cuántica; de sus aplicaciones toma cuenta la nanotecnología, un término muy de moda. Nano es un prefijo griego que significa “enano”. De la nanotecnología lo que debemos saber es que es pequeña, muy pequeña. Un cabello humano tiene como diámetro unos 80 000 nanómetros. Esta coma (,) contiene alrededor de medio millón de nanómetros. Imaginemos que una persona se puede encoger hasta medir 10 nanómetros de altura, si la colocamos al lado de un pequeño alfiler, la altura y el grueso del alfiler se asemejarán a un rascacielos. Para hacernos una idea clara, un nanómetro es lo que crece la barba de un hombre en el tiempo que le toma levantar la hoja de afeitar y acercarla a su rostro. ¡Realmente impresionante! ■

EL TAMAÑO SÍ IMPORTA. NÚMEROS GIGANTES

Es el centro astronómico AH-02, el más avanzado del planeta, un grupo de astrónomos investiga en el infinito universo y detecta que en el centro de nuestra galaxia ocurre una explosión monumental. La humanidad se encuentra en peligro inminente y, luchando por su supervivencia, elabora una serie de estrategias para liberarse del terrible final… Estas líneas corresponden a un escenario recurrente en las películas de Hollywood. Buen argumento para películas de bajo presupuesto, pero fatal desde el punto de vista de la ciencia.

Existen dos grandes errores que no se toman en cuenta: primero, el universo no es infinito (o eso creemos por el momento); segundo, el universo es grande, tan grande que el número relacionado con sus dimensiones es difícil de imaginar. Nuestro universo se encuentra plagado de galaxias, según se cree son 100 000 millones, y cada una, a su vez, contiene 100 000 millones de estrellas, en promedio. Si tomamos una galaxia representativa como la Vía Láctea, nuestro hogar en el universo, su diámetro estimado es de 100 000 años luz (la repetición en los números es solo una agradable coincidencia). En consecuencia, si el centro de nuestra galaxia estallara en este momento, realizando un cálculo apresurado y suponiendo que estamos en el extremo de la galaxia y que esta es completamente simétrica, tardaríamos unos 50 000 años en enterarnos. Podríamos estar “vivitos y coleando” tranquilos en nuestra ignorancia acerca del terrible cataclismo, esperanzados en que cuando llegue la onda explosiva a la Tierra, las futuras generaciones tengan la capacidad tecnológica adecuada para afrontarla… Aunque, siendo sinceros, no habría mucho que hacer.