Cómo los animales siguen su olfato

El 2 de octubre de 2022, cuatro días después de que el huracán Ian azotara Florida, un rottweiler de búsqueda y rescate llamado Ares caminaba por las devastadas calles de Fort Myers cuando llegó el momento para el que había estado entrenando. Ares captó un rastro en una casa destrozada y subió corriendo, con su adiestrador detrás, abriéndose paso entre los escombros.

Encontraron a un hombre que llevaba dos días atrapado en el cuarto de baño tras derrumbarse el techo. Unas 152 personas murieron por los destrozos de Ian, uno de los peores huracanes que han golpeado Florida, pero ese hombre afortunado sobrevivió gracias a la capacidad de Ares de seguir un olor hasta su origen.

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

“Lo que lo hace difícil es que los olores, a diferencia de la luz y el sonido, no viajan en línea recta”, explica Gautam Reddy, físico biólogo de la Universidad de Harvard y coautor de un estudio sobre el modo en que los animales localizan las fuentes de olor en el Annual Review of Condensed Matter Physics de 2022. El problema se aprecia observando una columna de humo de cigarrillo. Al principio se eleva y viaja en una trayectoria más o menos recta, pero muy pronto empieza a oscilar y finalmente comienza a dar tumbos caóticos, en un proceso llamado flujo turbulento. ¿Cómo podría un animal seguir de vuelta a su origen una ruta tan enrevesada?

En las dos últimas décadas, un conjunto de nuevas herramientas de alta tecnología, que van desde la modificación genética a la realidad virtual y los modelos matemáticos, han permitido explorar la navegación olfativa de formas radicalmente distintas. Las estrategias que utilizan los animales, así como sus tasas de éxito, dependen de una serie de factores, como la forma del cuerpo del animal, sus capacidades cognitivas y la cantidad de turbulencia en la columna de olor. Un día, este conocimiento cada vez mayor podría ayudar a los científicos a desarrollar robots capaces de realizar tareas para las que ahora dependemos de los animales: perros para buscar a personas desaparecidas, cerdos para buscar trufas y, a veces, ratas para buscar minas terrestres.

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

Esta estrategia —llamada búsqueda de gradiente o quimiotaxis— funciona bastante bien si las moléculas olorosas se distribuyen en una niebla bien mezclada, que es la etapa final de un proceso conocido como difusión. Pero la difusión se produce muy lentamente, por lo que una mezcla completa puede llevar mucho tiempo. En la mayoría de las situaciones naturales, los olores fluyen por el aire en una corriente estrecha y bien delimitada, o penacho. Estos penachos, y los olores que transmiten, viajan mucho más rápido de lo que lo harían por difusión. En algunos aspectos, esto es una buena noticia para un depredador, que no puede permitirse esperar horas para rastrear a su presa. Pero no todo son buenas noticias: los penachos de olor son casi siempre turbulentos, y el flujo turbulento hace que la búsqueda por gradiente sea tremendamente ineficaz. En un momento dado, es muy posible que la dirección en la que el olor aumenta más rápidamente apunte lejos de la fuente.

Los animales pueden recurrir a otras estrategias. Los insectos voladores, como las polillas en busca de pareja, adoptan una estrategia que es una forma de anemotaxis, o respuesta basada en las corrientes de aire. Cuando una polilla macho detecta las feromonas de una hembra, empieza a volar inmediatamente contra el viento, suponiendo que haya viento. Si pierde el olor —lo que probablemente ocurrirá, sobre todo cuando esté lejos de la hembra— empezará a “lanzarse” de un lado a otro en el viento. Cuando vuelva a encontrar el penacho, reanudará el vuelo a barlovento y repetirá este comportamiento hasta que vea a la hembra.

Algunos insectos terrestres pueden utilizar una estrategia llamada tropotaxis, que podría considerarse como oler en estéreo: comparan la intensidad del olor en las dos antenas y giran hacia la que recibe la señal más fuerte. Los mamíferos, que suelen tener fosas nasales más estrechas en relación con el tamaño del cuerpo que las antenas de los insectos, suelen utilizar una estrategia de comparación denominada klinotaxis: girar la cabeza y olfatear a un lado, girar la cabeza y olfatear al otro lado, y girar el cuerpo en la dirección del olor más fuerte. Esto requiere un nivel de cognición ligeramente superior debido a la necesidad de retener un recuerdo de la olfacción más reciente.

Los robots detectores de olores pueden recurrir a otra estrategia que la naturaleza nunca habría ideado. En 2007, el físico Massimo Vergassola, de la École Normale Supérieure de París, propuso una estrategia llamada infotaxis, en la que el olfato se une a la era de la información. Mientras que la mayoría de las demás estrategias son puramente reactivas, en la infotaxis el navegante crea un modelo mental de dónde es más probable que esté la fuente, dada la información que ha recogido previamente. A continuación, se moverá en la dirección que maximice la información sobre la fuente del olor.

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

En la primera versión de Vergassola, el navegante necesita hacer un mapa mental de su entorno y calcular una cantidad matemática llamada entropía de Shannon, una medida de imprevisibilidad que es alta en las direcciones que el navegante no ha explorado y baja en las que sí. Esto requiere probablemente capacidades cognitivas que los animales no poseen. Pero Vergassola y otros han desarrollado nuevas versiones de la infotaxis menos exigentes desde el punto de vista computacional. Un animal, por ejemplo, “puede tomar atajos y aproximarse a la solución en un 20 %, lo cual está muy bien”, afirma Vergassola, coautor del artículo de Annual Reviews.

Infotaxis, klinotaxis, tropotaxis, anemotaxis... ¿qué taxis le llevarán antes a su destino? Una forma de averiguarlo es ir más allá de las observaciones cualitativas del comportamiento animal y programar una criatura virtual. Así, los investigadores pueden averiguar el porcentaje de éxito de las distintas estrategias en una variedad de situaciones, tanto en el aire como en el agua. “Podemos manipular muchas más cosas”, afirma Bard Ermentrout, matemático de la Universidad de Pittsburgh y miembro de Odor2Action, un grupo de investigación de 72 personas organizado por John Crimaldi, experto en dinámica de fluidos de la Universidad de Colorado en Boulder. Por ejemplo, los investigadores pueden comprobar lo bien que funcionaría la estrategia de una mosca bajo el agua, o pueden aumentar la turbulencia del fluido y ver cuándo empieza a fallar una determinada estrategia de búsqueda.

Hasta ahora, las simulaciones muestran que, cuando la turbulencia es baja, tanto el olfato estereoscópico como el de comparación funcionan la mayor parte del tiempo, aunque, como era de esperar, el primero funciona mejor en animales con sensores muy espaciados (como los insectos) y el segundo en animales con sensores muy próximos (como los mamíferos). Sin embargo, cuando la turbulencia es alta, los animales simulados no funcionan bien con ninguno de los dos métodos. Sin embargo, los ratones reales apenas parecen inmutarse ante un penacho turbulento, según muestran los experimentos de laboratorio. Esto sugiere que los ratones pueden tener trucos que desconocemos o que nuestra descripción de la klinotaxis es demasiado simple.

Además, aunque las simulaciones pueden decir lo que un animal podría hacer, no dicen necesariamente lo que hace. Y aún no tenemos forma de preguntarle al animal: “¿Cuál es tu estrategia?”. Pero los experimentos de alta tecnología con moscas de la fruta se acercan cada vez más a ese sueño al estilo del Dr. Dolittle.

La mosca de la fruta es, en muchos sentidos, el organismo ideal para la investigación olfativa. Su sistema olfativo es sencillo, con solo unos 50 tipos de receptores (frente a los 400 de los humanos y los más de 1.000 de los ratones). Sus cerebros también son relativamente sencillos, y se han cartografiado las conexiones entre neuronas en su cerebro central: el conectoma de la mosca de la fruta, una especie de diagrama de cableado de su cerebro central, se publicó en 2020. “Puedes buscar cualquier neurona y ver con quién está conectada”, dice Katherine Nagel, neurocientífica de la Universidad de Nueva York y otra de las integrantes del equipo Odor2Action. Antes, el cerebro era una caja negra; ahora, investigadores como Nagel pueden buscar las conexiones.

Uno de los enigmas de las moscas es que parece que utilizan una versión distinta de la estrategia que usan las polillas. “Nos dimos cuenta de que las moscas, cuando encuentran un penacho de olor, suelen girar hacia la línea central del penacho”, explica Thierry Emonet, biofísico de la Universidad de Yale. Una vez que encuentran la línea central, lo más probable es que la fuente esté directamente contra el viento. “[Nos] preguntamos, ¿cómo demonios la mosca sabe dónde está el centro del penacho?”.

Emonet y su colaborador Damon Clark (un físico cuyo laboratorio está contiguo al suyo) han respondido a esta pregunta con una ingeniosa combinación de realidad virtual y moscas modificadas genéticamente. A principios de la década de 2000, los investigadores desarrollaron moscas mutantes con neuronas olfativas que responden a la luz. “Esto convierte la antena en un ojo primitivo, de modo que podemos estudiar el olfato como estudiamos la visión”, explica Clark.

Esto resolvió uno de los mayores problemas de la investigación olfativa: normalmente no se puede ver el penacho de olor al que responde un animal. Ahora no solo se puede ver, sino que se puede proyectar una película de cualquier paisaje odorífero que se desee. La mosca modificada genéticamente percibirá esta realidad virtual como un olor y responderá a él en consecuencia. Otra mutación dejó ciegas a las moscas, para que su visión real no interfiriera con el “olor” visual.

En sus experimentos, Clark y Emonet colocaron estas moscas modificadas genéticamente en un recipiente que limitaba su movimiento a dos dimensiones. Después de que las moscas se acostumbraran al espacio, los investigadores les presentaron un paisaje visual de olores formado por rayas en movimiento. Comprobaron que las moscas caminaban siempre hacia las franjas que se acercaban.

A continuación, Clark y Emonet presentaron un paisaje de olores más realista, con giros y remolinos turbulentos copiados de penachos reales. Las moscas pudieron navegar con éxito hasta el centro del penacho. Por último, los investigadores proyectaron una película del mismo penacho invertida en el tiempo, de modo que el movimiento medio del olor en el penacho virtual se dirigía hacia el centro, en lugar de alejarse, un experimento que no podría realizarse con un penacho de olor real. Las moscas se sintieron confundidas por este penacho de mundo bizarro y se alejaron del centro en lugar de acercarse a él.

Las moscas, concluyeron Clark y Emonet, deben percibir el movimiento de los paquetes de olor, como Emonet denomina a los grupos discretos de moléculas olorosas. Piense en esto por un segundo: cuando huele la barbacoa del vecino, ¿puede decir si las partículas de humo que pasan por su nariz viajan de izquierda a derecha o de derecha a izquierda? No es evidente. Pero una mosca puede saberlo —y los investigadores del olfato en el pasado han pasado por alto esta posibilidad—.

¿Cómo ayuda a la mosca a encontrar el centro del penacho el hecho de percibir el movimiento de las moléculas olorosas? El punto clave es que, en un momento dado, hay más moléculas olorosas alejándose del centro del penacho que acercándose a él. Como explica Emonet, “el número de paquetes en la línea central es mayor que lejos de ella. Así que hay muchos paquetes en el centro que se alejan y no tantos en el exterior que se acercan. Cada paquete individualmente tiene la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección, pero colectivamente hay una dispersión lejos del centro”.

De hecho, las moscas procesan la información sensorial entrante de una forma extraordinariamente sofisticada. En un entorno ventoso, la dirección en la que se desplaza la mosca es en realidad una combinación de dos direcciones distintas: la dirección del flujo de aire y la dirección media en la que se mueven los paquetes de olor. Utilizando el conectoma de la mosca, Nagel ha localizado uno de los lugares del cerebro donde debe producirse este procesamiento. Las neuronas de la mosca que detectan el viento se entrecruzan con las neuronas olfativas que detectan la dirección en un lugar concreto del cerebro denominado descriptivamente “cuerpo en forma de abanico”. Juntos, los dos conjuntos de neuronas indican a la mosca en qué dirección debe moverse.

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

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

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

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

Artículo traducido por Debbie Ponchner