A raíz de esta curiosa noticia sobre las lapas (a la que volveré al final de la entrada), he estado buscando información sobre por qué nuestros huesos son del material que son, teniendo en cuenta que existen un montón de sustancias más resistentes que también son compatibles con los tejidos vivos. La búsqueda me llevó hasta este interesante artículo científico en el que el autor se pregunta por qué nuestros huesos no están hechos de acero y, como el tema me ha parecido muy curioso, he pensado que sería una buena idea escribir una entrada explicando por qué la evolución no nos ha convertido a todos en Lobeznos.
A ver, los huesos de Lobezno no son de acero, sino de adamantium. Es más, en realidad el adamantium está adherido a sus hues…
Vale, vale, gracias por este importantísimo apunte, voz cursiva. Ya puedo dar comienzo a la entrada con la conciencia tranquila.
Hace unos 1.500 millones de años, un periodo de actividad tectónica especialmente intenso volcó grandes cantidades de minerales al mar. Entre estos minerales había mucha calcita (carbonato de calcio), una sustancia que, cientos de millones de años después, muchas especies comenzarían a utilizar para formar estructuras defensivas sólidas sobre su superficie, como conchas o púas.
Aunque los organismos que desarrollaron estos exoesqueletos estaban mejor protegidos contra los depredadores que los demás, una concha rígida tenía una desventaja: limitaba mucho su movimiento. Como resultado, hace unos 525 millones de años, la evolución terminó propiciando la aparición de un nuevo tipo de organismos que tenían una movilidad mucho mayor porque, a diferencia de los animales con exoesqueletos, desarrollaron las estructuras rígidas en el interior de su cuerpo, produciendo los primeros huesos e inaugurando el linaje de los vertebrados.
Pero, curiosamente, estos animales con esqueletos internos cambiaron la calcita con la que sus amigos los moluscos fabricaban sus conchas o sus púas por otro mineral llamado hidroxiapatita, un tipo de fosfato de calcio. Para que le podáis poner cara al carbonato y fosfato de calcio, este es el aspecto que tienen los dos compuestos cuando se encuentran en forma cristalina:
Pero, no lo entiendo, ¿por qué los vertebrados empezaron a usar hidroxiapatita para fabricar sus huesos? ¿No era más fácil usar carbonato de calcio, como todos esos animales con exoesqueletos?
No se sabe con seguridad, pero se cree que el cambio podría estar relacionado con el hecho de que los vertebrados producimos ácido láctico cuando nos movemos mucho. Como habréis visto si alguna vez habéis echado unas gotas de salfumán sobre un trozo de piedra caliza (una roca compuesta por carbonato de calcio), los ácidos disuelven este material con facilidad, así que un esqueleto interno hecho de esta sustancia se desgataría más deprisa. En cambio, la hidroxiapatita es mucho más estable químicamente y, como resultado, se conserva mejor en ambientes ácidos, así que es un material más adecuado para producir huesos duraderos.
De hecho, esta resistencia al ácido corporal se ha podido comprobar de forma experimental: cuando se implantan cristales de calcita e hidroxiapatita en dos grupos de peces y se les somete periodos de actividad física variable, los cristales de calcita se disuelven a un ritmo mucho mayor, señal de que el ácido producido por sus cuerpos degrada este material con más facilidad.
En cualquier caso, la cuestión es que en la naturaleza hay muchos materiales con propiedades mecánicas y químicas superiores a las hidroxiapatita. Por tanto, ¿por qué la evolución nos ha dotado de huesos hechos de hidroxiapatita, teniendo a su disposición otras sustancias mejores?
Pues resulta que la respuesta es más compleja de lo que parece.
Los primeros vertebrados tuvieron que recurrir a los materiales que tenían disponibles en su entorno para fabricar sus huesos. No es de extrañar entonces que las sustancias que eran compatibles con la vida, además de abundantes y de fácil acceso, hubieran tenido prioridad sobre las demás. Pero, aunque los seres humanos modernos estamos acostumbrados a fundir, mezclar y moldear mecánicamente los materiales que nos rodean para fabricar los objetos que queremos con una gran libertad, nuestros organismos tienen opciones mucho más limitadas para producir tejidos rígidos porque sólo son capaces utilizar las sustancias que pueden procesar químicamente para convertirlas en el material deseado.
Por ejemplo, para fabricar nuestros huesos, nuestro organismo disuelve los compuestos de calcio que ingerimos y los transporta hasta la zona adecuada, donde una serie de reacciones químicas combinan el calcio con fósforo y producen la hidroxiapatita (el proceso es muchísimo más complejo, por supuesto). Este mineral sustituye progresivamente el tejido blando en el que se deposita y lo va endureciendo hasta que, con el tiempo, termina convirtiéndolo en un hueso.
Este esquema de la formación de tejido óseo también está muy simplificado. (Esquema basado en esta imagen)
Por tanto, los materiales con los que los vertebrados podemos fabricar nuestros huesos están limitados a las sustancias que son relativamente solubles y que nuestros cuerpos pueden procesar químicamente, dos condiciones que muchos compuestos de calcio cumplen estupendamente. En realidad, no es de extrañar que los primeros organismos con exoesqueletos echaran mano del carbonato de calcio para fabricar sus caparazones, porque es muy abundante en los océanos y se precipita con facilidad sobre las cosas, formando cortezas rígidas. Y, aunque nuestros huesos de vertebrado no están hechos de calcita, sí que están producidos a partir de los compuestos de calcio que son fáciles de obtener a través de nuestra dieta y que nuestro cuerpo modifica para convertir en hidroxiapatita.
Teniendo esto en cuenta, podemos ver por qué los vertebrados no integraron ciertos materiales en sus huesos, incluso aunque fueran muy abundantes y tuvieran mejores propiedades mecánicas que la hidroxiapatita.
Por ejemplo, el cuarzo (dióxido de silicio) es uno de los minerales más comunes de la corteza terrestre, pero no es soluble en el agua y es muy inerte químicamente. Como resultado, nuestros cuerpos no lo pueden disolver, ni asimilar, ni transportar de un lado a otro del organismo, ni modificar para producir otros compuestos más útiles, así que un vertebrado con un esqueleto basado en el cuarzo no podría existir (aunque algunos organismos microscópicos usan sílice hidratado para fabricar sus caparazones).
Esta misma lógica se puede aplicar a otros minerales insolubles e inertes, como el corindón (óxido de aluminio) o el topacio (silicato de aluminio). Además, otros minerales tienen inconveniente adicional de que son tóxicos, de modo que los vertebrados nunca los podrían utilizar para fabricar sus huesos, incluso aunque tuvieran buenas propiedades mecánicas, como la galena (sulfuro de plomo) o la estibina (sulfuro de antimonio).
Ok, ya te has enrollado bastante con la parte química de la cuestión. ¿Qué hay de la parte mecánica? ¿No existe ningún material más resistente que la hidroxiapatita que sea compatible con la vida? No sé, algo parecido al acero… ¿como algún tipo de compuesto de hierro o algo así?
Buen apunte, voz cursiva.
Hay que tener en cuenta que la resistencia mecánica no es la única propiedad importante para fabricar huesos: un organismo necesita un esqueleto fuerte, pero también ligero, para minimizar la cantidad de energía que necesita invertir para moverse de un lado a otro. Aunque existen materiales con mejores propiedades mecánicas en la naturaleza, la hidroxiapatita ofrece la ventaja de que es bastante ligera, lo que compensa su menor resistencia. Por tanto, pese a que un esqueleto hecho de alguna especie de acero de origen biológico sería mucho más resistente, también sería 3 o 4 veces más pesado… Y eso complicaría bastante nuestra supervivencia.
O sea que, aunque existen materiales con mejores propiedades, la hidroxiapatita ofrece un buen equilibrio entre su resistencia química y mecánica y su densidad. De hecho, la evolución incluso se las ha apañado para dotar a nuestros huesos de unas microestructuras que les proporcionan propiedades superiores a las que tendrían si fueran trozos macizos de hidroxiapatita.
Ahora bien, aunque es cierto todos los verterbados tienen huesos hechos de este mineral, hay organismos a los que la evolución ha dotado de partes rígidas hechas de materiales más exóticos.
Por ejemplo, la mandíbula de los gusanos marinos de la especie Glycera dibranchiata contiene un mineral basado en el cobre llamado atacamita que les ofrece una mayor resistencia a la abrasión y los del género Nereis aumentan la resistencia de sus mandíbulas gracias a sus altas concentraciones de zinc (en forma de cloruro de zinc). Incluso existe un caracol marino cuya cáscara está recubierta con pirita, un mineral hecho de sulfuro de hierro que abunda alrededor de las fumarolas hidrotermales del fondo de los océanos, donde viven estos animales.
Pero, volviendo al artículo que he mencionado al principio, el material biológico más fuerte conocido se encuentra en los dientes de un organismo bastante inesperado: las lapas.
¿Cómo que los dientes de las lapas? ¿Estamos hablando de las mismas lapas? ¿De esos moluscos que se pasan el día pegados a las rocas en la playa?
Exacto, voz cursiva… Aunque, obviamente, los dientes de estos animales no se parecen a los nuestros. En su lugar, las lapas cuentan con unas pequeñas fibras con las que escarban las rocas de la orilla y arrancan la capa microscópica de algas que las cubre para alimentarse. Por supuesto, estos «dientes» tienen que ser muy duros para poder romper la roca, así que están recubiertos de un mineral llamado goethita, un tipo de óxido de hierro.
¡Ostras! ¡Entonces los esqueletos de hierro sí que existen!
Espera, espera, no tan deprisa. Esto que tienen las lapas en sus «dientes» no es más que una cobertura mineralizada de goethita, nada parecido a un hueso y mucho menos a un esqueleto completo.
Aun así, como comenta el autor del artículo que he citado al principio, parece que no existe ningún motivo obvio por el que los vertebrados no hubieran podido desarrollar huesos hechos de algún tipo de «acero» biológico o, mejor dicho, de alguna sustancia parecida a la goethita. Al fin y al cabo, en la naturaleza existen compuestos de hierro que los seres vivos somos capaces de asimilar sin problemas y una prueba de ello son nuestros glóbulos rojos, que utilizan este elemento para transportar oxígeno a través del torrente sanguíneo.
Pero en el artículo también se menciona que, aunque a la evolución se le da muy bien cambiar las formas de los organismos y producir especies nuevas, no es tan partidaria de alterar su química y, por tanto, los materiales que componen la vida: hasta donde sabemos, desde que los vertebrados empezaron a construir sus huesos a partir de la precipitación de fosfato de calcio, este mecanismo se ha conservado a través de millones de generaciones de animales hasta llegar a la actualidad. Es cierto que existen otros minerales, como por ejemplo la goethita, con los que, en teoría, un ser vivo podría llegar a sintetizar algún tipo de esqueleto basado en el hierro, pero, por algún motivo, no existen señales de que ningún organismo lo haya intentado jamás (ni en el registro fósil, ni en la actualidad).
En resumidas cuentas, respondiendo a la pregunta de hoy, parece que nuestros huesos son de hidroxiapatita porque es un material fácil de obtener de nuestro entorno y, además, tiene un buen equilibrio entre su resistencia química y mecánica y su densidad. Pero no se sabe (en el sentido de que no hay indicios de ello) si la evolución probó otros materiales antes de que triunfara la hidroxiapatita, o si, por el contrario, fue una primera elección muy acertada que ha sobrevivido hasta nuestros días.
