Cómo rastrean los animales un olor

CRÉDITO: REVISTA CONOCIBLE

La estrategia que usa un animal para rastrear un olor depende de varios factores, incluida la forma del cuerpo del animal y la cantidad de turbulencia en la columna de olor.

No es fácil encontrar la fuente de un penacho de olor arremolinado. Los científicos están utilizando experimentos y simulaciones para descubrir las variadas estrategias que emplean los animales.

Por Dana Mackenzie el 06/03/2023

Apoye la ciencia sólida y las historias inteligentesAyúdanos a hacer que el conocimiento científico sea accesible para todosDona hoy

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

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

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

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

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

El problema de rastrear un olor parece tener una solución elemental: simplemente husmee y diríjase en la dirección donde el olor es más fuerte. Continúa hasta que encuentres la fuente.

Los perros de búsqueda y rescate se basan en señales de olor complejas para encontrar víctimas escondidas bajo los escombros. Una combinación de sensores de olor superiores y estrategias de búsqueda puede ser clave para las habilidades de los animales, que superan con creces las de los dispositivos robóticos.

CRÉDITO: ISTOCK.COM / EGON69

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

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

Algunos insectos terrestres pueden usar una estrategia llamada tropotaxis, que podría considerarse como oler en estéreo: compare la fuerza del olor en las dos antenas y gire hacia la antena que recibe la señal más fuerte. Los mamíferos, que por lo general tienen fosas nasales con una separación más estrecha en relación con el tamaño del cuerpo que las antenas de un insecto, suelen utilizar una estrategia de comparación de precios llamada klinotaxis: girar la cabeza y oler de un lado, girar la cabeza y oler del otro lado y gira tu cuerpo en la dirección del olor más fuerte. Esto requiere un nivel de cognición ligeramente más alto debido a la necesidad de retener la memoria del olfateo más reciente.

El ambiente de olor puede dictar la mejor estrategia de búsqueda para encontrar la fuente de un olor. Si las moléculas de olor se difunden de manera uniforme desde la fuente (arriba), estará en el centro de la nube para que un animal pueda simplemente dirigirse hacia la mayor concentración de olor. Si el penacho de olor es turbulento (medio), la estrategia de concentración aún puede funcionar si el animal está lo suficientemente cerca de la fuente, a pesar de la concentración desigual del odorante. Si el animal está lejos de la fuente (abajo), la columna de olor se descompone en "paquetes" discretos, por lo que el animal solo capta el olor de forma intermitente. En este caso, el animal necesita una estrategia de búsqueda más compleja en la que revolotea cada vez que pierde el olor.

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

El robot se moverá hacia la dirección más probable de la fuente (explotando su conocimiento previo) o hacia la dirección sobre la que tiene menos información (explorando en busca de más información). Su objetivo es encontrar la combinación de explotación y exploración que maximice la ganancia esperada en información. En las primeras etapas, la exploración es mejor; a medida que el navegante se acerca a la fuente, la explotación es la mejor apuesta. En las simulaciones, los navegantes que utilizan esta estrategia viajan por caminos que se parecen mucho a las trayectorias 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 direcciones que el navegante no ha explorado y baja en direcciones que ha explorado. Esto probablemente requiere habilidades cognitivas que los animales no poseen. Pero Vergassola y otros han desarrollado versiones más nuevas de infotaxis que son menos exigentes desde el punto de vista computacional. Un animal, por ejemplo, "puede tomar atajos, tal vez aproximar la solución al 20 por ciento, lo cual es bastante bueno", dice Vergassola, coautor del artículo de Annual Reviews.

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

La turbulencia hace que las columnas de olor sean difíciles de seguir. Aquí, se inyectan dos tintes, uno verde y otro rojo, en una corriente de agua turbulenta (abajo). La turbulencia rompe las corrientes en fragmentos. Imagine comenzar en la parte superior de la imagen e intentar seguir los colores hasta su origen.

CRÉDITO: M. KREE ET AL / FÍSICA DE FLUIDOS 2013

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

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

Las moscas de la fruta son, en muchos sentidos, organismos ideales para la investigación del olfato. Sus sistemas olfativos son simples, con solo alrededor de 50 tipos de receptores (en comparación con alrededor de 400 en humanos y más de 1,000 en ratones). Sus cerebros también son relativamente simples, y se han mapeado las conexiones entre las neuronas en su cerebro central: el conectoma de la mosca de la fruta, una especie de diagrama de cableado para su cerebro central, se publicó en 2020. "Puede buscar cualquier neurona y ver quién. está conectado", dice Katherine Nagel, neurocientífica de la Universidad de Nueva York y otro miembro del equipo de Odor2Action. Antes, el cerebro era una caja negra; ahora los investigadores como Nagel pueden buscar las conexiones.

Manténgase informado Regístresepara el boletín informativo de Knowable Magazine hoy

Uno de los enigmas sobre las moscas es que parecen usar una versión diferente de la estrategia de "impulso y lanzamiento" que las polillas. "Nos dimos cuenta de que las moscas, cuando se encuentran con una columna de olor, generalmente se vuelven hacia la línea central de la columna", dice 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. "[Nosotros] preguntamos, ¿cómo diablos sabe la mosca dónde está el centro de la columna?"

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

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

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

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

Este video muestra cómo navegan las moscas al oler cómo se mueven los olores. La primera parte del video muestra simulaciones por computadora de moscas programadas para girar de modo que los olores lleguen directamente hacia ellas; con el tiempo, esto hace que las moscas se muevan hacia la fuente, incluso en una columna de olor turbulenta. Después de la marca de 25 segundos, el video muestra moscas reales, modificadas genéticamente para que sus células detectoras de olores respondan a la luz, siguiendo una columna de "olor" de video proyectada en el piso de su contenedor. Las moscas responden de la misma manera que las moscas simuladas.

CRÉDITO: YALECAMPUS

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

¿De qué manera la detección del movimiento de las moléculas de olor ayuda a la mosca a encontrar el centro de la nube? El punto clave es que, en un momento dado, hay más moléculas de olor que viajan desde el centro de la columna que hacia él. Como explica Emonet, "la cantidad de paquetes en la línea central es mayor que lejos de ella. Por lo tanto, obtiene muchos paquetes en el centro alejándose, y no tantos del exterior moviéndose hacia adentro. Cada paquete individualmente tiene la misma probabilidad de moviéndose en cualquier dirección, pero colectivamente hay una dispersión lejos del centro".

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

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

Las moscas pueden saber dónde se encuentra el centro de una columna de olor al monitorear en qué dirección se mueven la mayoría de las moléculas de olor, ya que más moléculas se alejan del centro de la columna que hacia él. Una parte del cerebro de la mosca llamada cuerpo en forma de abanico combina esta información del olor (transportada por un grupo de células nerviosas llamadas neuronas tangenciales) con información sobre la dirección del viento (codificada por diferentes neuronas llamadas neuronas columnares), para determinar las ubicaciones de los olores. fuente.

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

Si bien los experimentos del conectoma y la realidad virtual están produciendo conocimientos sorprendentes, quedan muchas preguntas por responder. ¿Cómo rastrean perros como Ares un olor que está en parte en el suelo y en parte en el aire? ¿Cómo distribuyen su tiempo entre oler el suelo y oler el aire? De hecho, ¿cómo funciona el "olfateo"? Muchos animales perturban activamente el flujo de aire, en lugar de recibirlo pasivamente; los ratones, por ejemplo, "batirán" con sus bigotes. ¿Cómo utilizan esta información?

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

10.1146/conocido-030623-4

Dana Mackenzie es una matemática que se volvió rebelde y se convirtió en escritora científica. Le gusta aprender sobre formas inesperadas en las que las matemáticas aparecen en la vida cotidiana.

Comparte este artículo

Ayúdanos a hacer que el conocimiento científico sea accesible para todos

SUMERGIRSE MÁS PROFUNDAMENTE | Explore artículos académicos relacionados

Las estrategias animales (y, potencialmente, robóticas) para localizar la fuente de un olor deben tener en cuenta la estructura laberíntica de las turbulentas columnas de olor, que a menudo pueden conducirlas en la dirección equivocada.

Suscríbete al boletín informativo de Knowable Magazine.

DONAR: Keep Knowable gratis para leer y compartir

¡Gracias por su interés en volver a publicar! Este HTML está preformateado para cumplir con nuestras pautas, que incluyen: Acreditar tanto al autor como a Knowable Magazine; preservar todos los hipervínculos; incluyendo el enlace canónico al artículo original en los metadatos del artículo. El texto del artículo (incluido el título) no se puede editar sin el permiso previo del personal de Knowable Magazine. Las fotografías e ilustraciones no están incluidas en esta licencia. Consulte nuestras pautas completas para obtener más información.