El amor de las chicharras por los números primos

Uno puede encontrarse con el inconfundible sonido de las chicharras o cigarras en casi todas las zonas cálidas del planeta. Hay especies por todas partes, y aún con variaciones, su sonido es siempre reconocible. Tanto, que de hecho su sonido es para mí como la versión sonora de la magdalena de Proust. Si al autor francés, era el olor una magdalena mojada en té la que evocaba sus recuerdos detallados de la casa de su tía, a mi es escuchar el sonido de una chicharra, esté donde esté, el que desencadena automáticamente recuerdos de mis veranos de infancia a orillas del Mediterráneo. 

Pero las chicharras de las que quiero hablar hoy no son unas chicharras como las del Mediterráneo, que uno pueda escuchar cada verano, sino que hablaré de unas, cuyo sonido sólo se deja escuchar cada 13 o 17 años. No es extraño que dichas chicharras sean denominadas Magicícadas, como sí de animales mágicos se tratase, pues su desaparición y reapirición periódica a los13 o 17 años parece algo sobrenatural. Y no es para menos, porque su aparición siempre resulta espectacular. Un espectáculo de la naturaleza.

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Fig. 1. Ilustración que muestra la última muda, cuando las ninfas trepan por los troncos de los árboles y llevan a cabo la última muda en la cual desarrollarán completamente las alas. Durante esta fase son especialmente susceptibles a ser depredados por aves, reptiles y mamíferos entre otros.

Imagínenselo, han transcurrido 13 o 17 años desde que los adultos depositaron los huevos en el suelo, las fases larvarias han pasado allí, bajo tierra alimentándose de las raíces de los árboles, todos estos años. De repente, la temperatura parece ser la adecuada y los insectos empiezan su ascenso hacia la superficie. Emergen miles, millones, e incluso miles de millones. Cantidades enormes de ninfas que treparán por los troncos de los árboles para llevar a cabo su última muda, la que les permitirá desarrollar completamente sus alas, para poder con ellas volar (Fig. 1). Su único fin es encontrarse con alguna chicharra del otro sexo para reproducirse. Durante unas semanas los árboles estarán engalanados con su estridente sonido, el inconfundible e incesante sonido de las chicharras, y luego volverá el silencio. Desaparecerán con la misma velocidad con la que aparecieron. Para volver a escuchar su estridulación, que no canto, los habitantes de la zona deberán aguardar otros 13 o 17 años, en función de la especie. Sólo entonces, perfectamente sincronizados, volverán a asomarse a la superficie una nueva horda de millones de chicharras.

Supongo que muchos ya se habrán dado cuenta en mi insistencia en resaltar el número de años entre cada período reproductor. Los valores no sólo sorprenden por su longevidad al tratarse de insectos, sino que sorprende, como ya se habrá fijado alguno, en la naturaleza de los números: 13 y 17. Sí, ambos números son números primos. ¿Casualidad? Parece que no.

¿Por qué números primos? ¿Tiene alguna explicación evolutiva?

Recordemos, los números primos son aquellos números naturales mayor que 1 que únicamente tienen dos divisores distintos: él mismo y el 1. Los primeros números primos son: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, etc…

Desde un principio, se propuso que unos ciclos vitales tan largos y de números primos era un estrategia evolutiva para evitar a los parásitos. Para nosotros que somos conscientes de la naturaleza de los números primos, realmente se hace difícil pensar que otro organismo, parasito o depredador, pueda sincronizar su ciclo vital para también aparecer cada 13 o 17 años. Por ejemplo, pensemos que un parásito tiene un ciclo vital anual, de ser así, sólo coincidirá con su huésped principal cada 13 o 17 años, un periodo excesivo para cualquier parásito. Si el ciclo del parásito fuese bianual, las cosas no serían mejores, más bien empeorarían pues el encuentro sería menos de una vez por siglo. Lo mismo si el ciclo fuese cada tres o cada cinco años (Fig. 2). En todo caso, el parásito se extinguiría a menos que tuviese otros huéspedes. La explicación evolutiva durante mucho tiempo ha sido que el haber desarrollado los ciclos vitales más longevos del mundo de los insectos y en números primos, les permitía no tener unos depredadores o parásitos específicos. Una especie que dependiese de estas chicharras estaría condenada al fracaso a menos que sincronizase su ciclo biológico perfectamente con el de las mismas. Lo cual parece realmente difícil. Que el huésped y el parásito o el depredador. sincronizase por azar los picos de emergencia en números primos relativamente altos como el 13 o el 17 sería una enorme casualidad.

Ciclosdepredadores
Fig. 2. Esquema que muestra como especies depredadoras o parasitarias de chicharras con ciclos de 13 o 17 años raramente coinciden en el tiempo. Al no ser los números primos divisibles por ningún otro número, ciclos de dos años, tres años o cinco años apenas coincidirán con las especies que tienen ciclos tan longevos y primos.

Pero su estrategia para evitar los peligros naturales no se han limitado sólo ha emerger en números primos grandes, sino que además, cuando emergen lo hacen en cantidades abrumadoras. Salen perfectamente sincronizadas, millones de chicharras. Ello les confiere una defensa ante los depredadores, aves y avispas, e incluso mamíferos, que asegura el éxito de haber aguardado tanto tiempo bajo tierra. Es lo que en biología se conoce como la estrategia de «saciar al depredador». Son tantos los individuos en un período de tiempo relativamente corto, que los depredadores presentes no son capaces de comérselas todas. Y eso que las chicharras tienen un número considerable de depredadores, pues su tamaño y facilidad de captura las convierte en una suculenta presa. Entre sus depredadores encontramos incluso a los humanos, en Asia se alimentan de algunas de las especies, y hay registros históricos que parecen indicar que los indígenas norteamericanos también se alimentaban de ellas.

La sincronización temporal sacia a los depredadores

Aunque constituyen un recurso enorme, a una población de un pájaro que se alimente de ellos, casi que ese exceso de alimento se transformará en un problema para la generación futura. Quizás aquel año los adultos consigan poner más huevos, incluso sacar adelante a todos sus polluelos por haber presas más que suficientes, pero eso crecimiento demográfico, fruto del año de bonanza, al año siguiente, a los que vendrán deberán de enfrenarse a años «normales», quizás con un problema de sobrepoblación, que aumentará la competencia por los recursos otra vez limitados y la mortalidad de muchos de los individuos. Obviamente si la estrategia de «saciar» al depredador se repitiese cada año, o incluso cada dos o tres años, las poblaciones de depredadores serían al final lo suficientemente abundantes para «controlar” esa abundancia de presas. Ambas poblaciones: las de presas y depredadores se compensarían. Pero al tener estos periodos de tiempo tan dilatados, y en números primos, hace imposible a las poblaciones de depredadores de mantenerse en números altos, con lo cual cada vez que emergen la estrategia de «saciar» funciona (Fig. 3).

Cicada Swarm
Fig. 3. Pie de árbol con los restos de los exoesqueletos de las chicharras tras la última muda. Puede observarse la gran cantidad de individuos concentrados sólo en el pie de un árbol.

Aunque un año, los depredadores o las condiciones climáticas consiguiesen realmente menguar sus poblaciones, como sus picos demográficos no volverían a coincidir durante varias generaciones, la población de chicharras se recuperará sin problemas.

¿Pero es esta la única explicación para haberse seleccionado ciclos de números primos?

Algunos investigadores han planteado otra hipótesis que puede convivir con la de evitar los ciclos de depredadores y parásitos. Es la hipótesis que sugiere que los ciclos primos de 13 y 17 años reducen mucho la posibilidad de hibridación entre las especies. No deja de ser curioso que en Estados Unidos existan varias especies, normalmente dos especies por zona o región, y que siempre, las dos especies, que conviven en la misma zona, una tiene un ciclo de 13 años y la otra de 17 años.

Para que la estrategia de saciar a depredadores y parásitos funcione, los individuos deben ir perfectamente sincronizados. Aquellos individuos que emerjan antes o después tendrán muchos más números de ser depredados o parasitados. Incluso en el caso de sobrevivir a sus potenciales enemigos, un individuo desincronizado tendría problemas para encontrar otro individuo fuera de tiempo con el que reproducirse. Al final, es para eso que emergen, para encontrar a otro individuo del otro sexo con el cual reproducirse. Si eso falla, todo falla. Haber abandonado la seguridad del subsuelo en el momento inadecuado será, desde un punto biológico, un fracaso. 

Cuando ambas especies hibridan, precisamente lo que sucede es que aparecen individuos no sincronizados. Individuos con ciclos de vida diferentes a los de sus antecesores. Individuos por tanto que ya no contribuirán a la siguiente generación, ni a nivel reproductivo, ni como «presas» contribuyendo al éxito de la población siendo parte de la masa indigente de individuos que sacian a depredadores y parásitos. Por ello, se sugiere, que la selección natural ha evitado en lo posible que las dos especies tan abundantes en un momento dado, coincidan en el tiempo y el espacio lo menos posible, porque cuando coinciden entonces pueden híbridar en gran cantidad y reducir así el éxito de sus dos poblaciones. Una vez más, ciclos largos y de números primos, hacen que la coincidencia en el tiempo de ambas especies sea un fenómeno muy casual. Según esta hipótesis, serían los periodos largos de números primos lo que permitiría que dos especies pudiesen habitar una misma zona. Con un ejemplo se verá fácilmente la ventaja de los números primos.

Imaginemos que dos especies de chicharra tienen ciclos de vida largos pero no primos, por ejemplo 12 y 16 años, en lugar de ser 13 y 17. Si ambas especies habitan la misma región, las dos especies emergerían en el mismo tiempo, coincidiendo en el tiempo y el espacio, cada 48 años. Los números pares sin duda facilitan que transcurrido un tiempo los ciclos se solapen y coincidan. Ahora hagamos el mismo ejercicio con las especies de 13 y 17 años. En este caso, las dos especies sólo coincidirán en el tiempo cada 221 años (Fig. 4), lo que reduce sin duda que ambas poblaciones hibriden, garantizando así la sincronización interna de cada una de las especies. Lo cual ya hemos visto que resulta crucial para saciar a depredadores y parásitos.

Hibridacion
Fig. 4. Esquema donde aparece un calendario con los años en los que se reproducen las especies de 13 años (en verde) y la de 17 años (en naranja). Vemos que ambas especies aún conviviendo en el mismo espacio, sólo coincidirían durante el periodo reproductivo una vez cada 221 años, reduciendo así mucho la probabilidad continuada de hibridación entre ambas con efectos nocivos para ambas al desincronizar las poblaciones no siendo tan eficaz entonces el efecto de saciar al depredador.

Todavía se desconoce con exactitud cual de los mecanismos tiene más relevancia, posiblemente ambos, ni cual es exactamente la modificación genética que les permite haber desarrollado estos ciclos. Es obvio que las chicharras no son capaces de calcular números primos, ni saben nada sobre sus propiedades y las ventajas de tener ciclos de vida con dichas particularidades. Estos ciclos tan característicos son el resultado de la selección natural proclamada por Darwin. Uno puede imaginar que aquellos individuos que emergían antes, con ciclos más cortos eran masivamente consumidos por sus depredadores y eliminados por lo tanto de las poblaciones, de manera que al final se fijaron en las especies aquellas variaciones con ciclos de vida largos y al mismo tiempo primos que dificultaban la coincidencia temporal con ciclos de vida más cortos de sus depredadores, al no ser sus ciclos divisibles por ningún otro ciclo más corto. La coincidencia es muy casual. Sin duda una variación genética que tuvo tan éxito que se diversificó en varias especies.

La base genética sigue siendo un misterio de momento, sin embargo el estudio de los individuos que se conocen como stragglers o «rezagados» nos da algunas pista sobre su evolución.

En todas las poblaciones y especies se han identificado individuos rezagados, individuos que no emergen de manera sincronizada como el resto. Es significativo que tanto en las especies de 13 como de 17 años, los rezagados sean individuos que emergen 4 años más tarde o 4 años más pronto. Si miramos los números vemos que todo cuadra: 13 + 4 = 17; 17 – 4 = 13. Ello hace sospechar a los biólogos que los ciclos de 13 y 17 han evolucionado de una versión ancestral del mismo gen, y que sólo las mutaciones que dan lugar a otros números primos, cuatro años antes o después, han generado pequeñas poblaciones estables. Otros individuos rezagados cuyas mutaciones dan lugar a periodos de 9 o 20 años desaparecen enseguida sin éxito alguno. Sin embargo se ha visto que los rezagados de 17 años que emergen a los 13 a veces pueden tener éxito si coinciden bastantes de ellos en el tiempo. La mayoría de las veces, los descendientes de los rezagados vuelven a desarrollar ciclos de 17 años, pero no sincronizados con la de la población establecida previamente. Eso parece que permitiría en el espacio la convivencia de dos estirpes o nidadas (Brood) desincronizadas, en un proceso que se conoce como «aceleración», al permitir la aparición de nuevas poblaciones que raramente coincidirían en el tiempo.

A pesar de todo, algo a conseguido especializarse en ellas

Mientras que depredadores de todo tipo, pájaros, mamíferos, reptiles, otros insectos, no han conseguido sincronizar sus poblaciones con la de las chicharras, otro organismo si que lo ha conseguido. Se trata de un hongo parasitario que ha conseguido descifrar las matemáticas detrás de sus periódicas apariciones y se han adaptado a sus mismos ciclos. Se trata del hongo Massospora cicadina cuyas esporas permanecen dormidas hasta que los adultos emergen, permitiendo así que tengan también ciclos de vida extensos. Tan pronto como las chicharras emergen del suelo las esporas las infectan y empiezan a desarrollarse infectando su abdomen. El hongo crece tanto en el abdomen de la chicharra que muchas veces hace que los últimos segmentos del abdomen se desprendan del individuo (Fig. 5). 

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Fig. 5. Fotografía que muestra una chicharra infectada por el hongo Massospora cicadina (la masa blanquecina) que ha perdido gran parte de su abdomen con todos sus órganos reproductores. Los animales infectados son infértiles pero contribuyen a infectar a otros individuos y a dispersas las esporas del hongo por la zona. Foto original del trabajo de Cooley, J.R., Marshall, D.C., Hill, K.B.R. (2018) Scientific Reports 8:1432

Aún así el animal sigue vivo pero infertil, sin capacidad de reproducirse al haber perdido los órganos reproductores que se alojan en el abdomen. Al mantener al animal vivo, el hongo usa el cuerpo de la chicharra para ir dispersando sus esporas por la zona en cada uno de los movimientos que el individuo realiza. Las esporas se depositan así por todo el suelo, cubriendo una gran área del terreno. Allí, en el suelo, las esporas aguardarán pacientemente 13 o 17 años hasta que las larvas emerjan y vuelvan a infectarlas. Este es otro ejemplo de como los parásitos hacen uso de sus huéspedes, no sólo para alimentarse de los mismos, sino con otros fines más complejos. Lo que en biología se conoce como «fenotipo expandido», es decir, modificar el fenotipo de otra especie para su uso, como el caso de las «hormigas zombi» que ya vimos en una entrada anterior. Para poder considerar este uso por parte de un parásito debe comprobarse que (1) el parásito introduce cambios complejos en el comportamiento del huésped, (2) que éstos favorecen la función reproductiva del parásito. Al parecer nuevos estudios han observado que los individuos infectados son más propensos a desplazarse y responder a las llamadas de otras chicharras, de manera que sobre todo en los primeros estadios este comportamiento más atrevido, contribuiría a la dispersión del hongo y a extender la infección entre más individuos que al final resulta en más tarde más esporas por un área mayor.

Un ejemplo más de como la naturaleza es un ente dinámico constante, donde nada se detiene; evolucionan soluciones sorprendentes como los ciclos de vida con números primos para evitar depredadores y parásitos, y aún así, acaban apareciendo los que consiguen especializarse a unos ciclos tan complejos de seguir. 

 


Lecturas complementarias:

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