Cómo la evolución transformó el hambre en el instinto de crianza en las hormigas

Durante gran parte de la historia evolutiva, muchos animales se reprodujeron y luego abandonaron a sus crías para que sobrevivieran solas. Un estudio publicado en Nature ofreció una posible explicación sobre cómo emergió el cuidado parental a partir de esos orígenes lejanos y no parentales.

Al estudiar a las hormigas raider clónicas, los investigadores encontraron que la evolución no creó sistemas cerebrales completamente nuevos para producir comportamiento parental. En cambio, parece que adaptó vías neuronales antiguas que originalmente regulaban el hambre y la alimentación, dándoles un nuevo papel en el cuidado social.

Tanto las hormigas como los mamíferos utilizan sistemas de señalización cerebral relacionados que ayudan a controlar el cuidado parental. Además, las hormigas cambian sus roles sociales a medida que envejecen, lo que las convierte en un modelo útil para estudiar cómo evolucionó la crianza y cómo cambia el comportamiento a medida que el cerebro envejece. Los hallazgos podrían eventualmente ofrecer pistas sobre procesos similares en mamíferos, incluidos los humanos.

"Nuestro trabajo es un ejemplo claro de cómo la evolución rara vez inventa cosas desde cero", afirmó Daniel Kronauer, jefe del Laboratorio de Evolución Social y Comportamiento en Rockefeller. "La evolución toma lo que tiene y trabaja con eso, a veces de maneras muy sorprendentes".

La crianza parental puede adoptar muchas formas en el reino animal. Los mamíferos alimentan a sus crías con leche, los pájaros protegen y mantienen los nidos, y las hormigas cuidan a las larvas en desarrollo. Los científicos han cuestionado durante mucho tiempo cómo tales comportamientos complejos de cuidado evolucionaron a partir de antepasados que ofrecían poco o ningún cuidado.

Una idea predominante es que la evolución reutilizó sistemas biológicos que ya existían. Investigaciones anteriores en mamíferos sugirieron que ciertos neuropeptidos, que son pequeñas moléculas utilizadas por el cerebro para comunicarse, pudieron haber pasado de regular el hambre a fomentar el comportamiento parental.

Demostrar esa conexión ha sido complicado. Las moscas de la fruta y los gusanos, dos animales ampliamente utilizados en investigaciones sobre neurociencia, no cuidan de sus crías. Los ratones sí proporcionan un extenso cuidado parental, y los científicos han identificado varios neuropeptidos involucrados en ese comportamiento, pero el cerebro del ratón es altamente complejo.

El equipo de Kronauer descubrió que algunos de los mecanismos neuromoduladores involucrados en el cuidado parental se superponen en hormigas y ratones. Esto hace que las hormigas sean un modelo de investigación potencialmente valioso. Un cerebro de hormiga contiene alrededor de 60,000 células, en comparación con aproximadamente 100 millones en un cerebro de ratón, lo que permite a los científicos estudiar los circuitos subyacentes en mayor detalle y a un ritmo más rápido.

Monitoreando el cuidado de una hormiga a la vez, los investigadores crearon un sistema de comportamiento automatizado que colocó hormigas individuales con larvas individuales. Esta configuración permitió al equipo monitorear cientos de interacciones de cuidado parental.

Luego identificaron y sintetizaron muchas de las moléculas mensajeras químicas encontradas en el cerebro de las hormigas. Cada molécula fue probada para determinar si cambiaba el comportamiento de cuidado de las hormigas.

Las colonias de hormigas tienen una estricta división del trabajo que depende en gran medida de la edad. Las hormigas más jóvenes generalmente permanecen dentro del nido y cuidan de las larvas. A medida que envejecen, son más propensas a abandonar el nido y buscar alimento.

Los investigadores querían entender cómo los cambios en la química cerebral controlan esta transición. Estudiaron dónde se producían las moléculas más prometedoras, cómo sus niveles cambiaban a lo largo de la vida de una hormiga y qué sucedía cuando se aumentaba o reducía la actividad de esas moléculas.

El equipo también comparó hormigas alimentadas con hormigas que habían sido privadas de alimento. Esto permitió a los científicos probar si las señales involucradas en el cuidado parental aún estaban conectadas a los antiguos circuitos de alimentación de los que podrían haber evolucionado.

"Anotamos el neuropeptidoma de esta hormiga, el conjunto completo de neuropeptidos", indicó Tomas Kay. "Se identificaron 70 que pudimos identificar. Requirió mucho trabajo duro, pero ahora tenemos un conjunto de moléculas que podemos investigar de numerosas maneras".

Dos moléculas cerebrales moldean el comportamiento de las hormigas. Los resultados mostraron que el cuidado parental en las hormigas sigue estando estrechamente relacionado con los sistemas cerebrales que regulan el hambre. Dos moléculas de señalización parecieron empujar el comportamiento en direcciones opuestas, dependiendo de la edad de la hormiga y su condición interna.

El neuropeptido F (NPF) alentó a las hormigas a cuidar de las larvas. La alastatina A (AstA), en contraste, hizo que las hormigas fueran más propensas a dejar las larvas y comenzar a buscar alimento.

Las hormigas jóvenes naturalmente tenían niveles más altos de NPF y niveles más bajos de AstA en áreas importantes del cerebro. Las hormigas más viejas mostraron el patrón inverso. Ese cambio coincidió con la progresión normal de los insectos de cuidar larvas dentro del nido a buscar alimento fuera de él.

Cuando los investigadores alteraron la actividad de cualquiera de las moléculas, las hormigas cambiaron su comportamiento. Esto demostró que los neuropeptidos no estaban meramente asociados con el cuidado parental, sino que podían influir activamente en si una hormiga nutría larvas o salía a buscar alimento.

El hambre puede empujar a las hormigas hacia el cuidado parental. Las mismas moléculas también respondieron al hambre, al igual que señales relacionadas lo hacen en mamíferos. Las hormigas hambrientas desarrollaron niveles más altos de NPF y niveles más bajos de AstA, haciéndolas comportarse más como cuidadoras.

Después de alimentar a las hormigas, el equilibrio químico se invirtió. Se volvieron menos enfocadas en cuidar de las larvas y más inclinadas a buscar alimento.

"Aprendimos que los comportamientos parentales se basan en el circuito neural para la alimentación, y eso tiene sentido", comentó Kronauer. "El comportamiento parental se trata mucho de alimentarse, no solo de uno mismo, sino de la descendencia".

Los hallazgos apoyan la idea de que el cuidado parental evolucionó al adaptar sistemas cerebrales que ya eran responsables de encontrar y consumir alimento. En lugar de inventar el cuidado parental desde la nada, la evolución pudo haber ampliado el comportamiento alimentario para que los animales se sintieran motivados a proporcionar alimento a sus crías, así como a sí mismos.

Un plano compartido para la crianza. Los investigadores ahora planean identificar los circuitos neuronales específicos afectados por NPF y AstA. Mapear esos caminos podría revelar cómo las señales químicas se traducen en comportamiento de cuidado parental.

Los mamíferos parecen usar algunos de los mismos neuropeptidos al cuidar de sus crías. Comparar los circuitos relevantes en hormigas y mamíferos podría ayudar a los científicos a descubrir una estrategia biológica compartida para la crianza que se extiende a través de ramas muy separadas del reino animal.

"Me sorprende que comportamientos parentales similares hayan evolucionado tantas veces en tantas linajes animales distintos", afirmó Kay. "Nuestro artículo sugiere que las rutas evolutivas hacia este tipo de comportamientos son mucho más restringidas de lo que podríamos haber imaginado ingenuamente. Eso es muy emocionante, porque eventualmente podría llevar a un plano de cómo evolucionan estos comportamientos sociales complejos".

Las hormigas también podrían revelar cómo envejece el cerebro. Las hormigas raider clónicas pueden ser útiles para más que estudiar la crianza. Su transición predecible de cuidadores a forrajeros también podría ayudar a los investigadores a investigar cómo los cambios saludables en el envejecimiento afectan el cerebro y el comportamiento.

Gran parte de la investigación sobre el envejecimiento se centra en trastornos severos que aparecen en la vida tardía. Los científicos saben mucho menos sobre los cambios graduales que ocurren en un cerebro sano a lo largo de la vida normal de un individuo.

Dado que los cambios relacionados con la edad en el comportamiento de las hormigas son esenciales para la organización de la colonia, las hormigas ofrecen un sistema natural para estudiar cómo la química cerebral reconfigura los roles sociales con el tiempo. Los investigadores creen que mecanismos químicos similares también pueden influir en los cambios de comportamiento relacionados con la edad en otros animales.

"Se invierte mucho en investigación y financiamiento para estudiar enfermedades neurodegenerativas en etapas avanzadas, pero en realidad sabemos muy poco sobre cómo cambia el cerebro a lo largo de la salud normal de un individuo", concluyó Kronauer. "En las colonias de hormigas, estas dinámicas son centrales para la organización de la sociedad. Nuestro descubrimiento proporciona una demostración sorprendente de que los neuromoduladores pueden producir cambios dependientes de la edad en las inclinaciones de comportamiento en las hormigas, y sospecho que eso también es el caso en otros animales, incluidos los humanos".