Cómo la lengua dio forma a la vida en la Tierra

En dos ocasiones, el mariscal de campo Patrick Mahomes llevó a los Kansas City Chiefs a la victoria en el Super Bowl, la cumbre del fútbol estadounidense. Aunque la mayoría de los fanáticos tienen sus ojos en la pelota mientras Mahomes se prepara para lanzar, su lengua hace algo igual de interesante. Tal como lo hizo la estrella de baloncesto Michael Jordan cuando se dispuso a hacer una volcada, y los jugadores de dardos suelen hacer cuando apuntan a la diana, Mahomes se prepara para pasar sacando la lengua. Eso puede ser más que una tontería, dicen algunos científicos. Esas protuberancias de la lengua pueden mejorar la precisión de los movimientos de su mano.

Un pequeño pero creciente grupo de investigadores está fascinado por un órgano que a menudo damos por sentado. Pocas veces pensamos en lo ágil que debe ser nuestra propia lengua para formar palabras o evitar que nos muerdan mientras nos ayuda a saborear y tragar la comida. Pero eso es solo el comienzo de la versatilidad de la lengua en todo el reino animal. Sin lenguas, pocos o ningún vertebrado terrestre podría existir. El primero de sus ancestros que se deslizó fuera del agua hace unos 400 millones de años encontró un buffet lleno de nuevos tipos de alimentos, pero se necesitó una lengua para probarlos. La gama de alimentos disponibles para estos pioneros se amplió a medida que las lenguas se diversificaron en formas nuevas y especializadas, y finalmente asumieron funciones más allá de comer.

"La increíble variación en la forma de la lengua de los vertebrados está repleta de asombrosos ejemplos de adaptación casi increíble", dice Kurt Schwenk, biólogo evolutivo de la Universidad de Connecticut. Salamandras sacando lenguas pegajosas más largas que sus cuerpos para atrapar insectos; serpientes que "huelen" su entorno con las puntas de sus lenguas bífidas; colibríes sorbiendo el néctar de las flores del interior; los murciélagos que chasquean la lengua para ecolocalizar, todos muestran cómo las lenguas han permitido a los vertebrados explotar todos los rincones y grietas terrestres. En los humanos, aún más funciones se concentran en la lengua. "Estoy asombrado por todo lo que hacemos con nuestra lengua: comer, hablar, besar. Es una parte central de lo que es ser humano", dice Jessica Mark Welch, ecologista microbiana del Instituto Forsyth.

El manejo de estas funciones estimuló la expansión de la capacidad cerebral, allanando el camino no solo para lanzar pases de touchdown, sino quizás también para pensar con rapidez. "La idea es que si puedes alcanzar con la lengua, puedes alcanzar con las manos y puedes alcanzar con los pensamientos", dice Ian Whishaw, neurocientífico de la Universidad de Lethbridge. "Intuitivamente, quizás sepamos esto", agrega, cuando usamos frases como "punta de la lengua", "lapsus de lengua" y "morderme la lengua".

Sin embargo, cómo surgieron las lenguas "es uno de los mayores misterios de nuestra historia evolutiva", dice Sam Van Wassenbergh, morfólogo funcional de la Universidad de Amberes. Al igual que otros tejidos blandos, las lenguas rara vez se conservan en los fósiles. Escondidos dentro de la boca, desafían la observación fácil. En la última década, sin embargo, las nuevas tecnologías han comenzado a revelar lenguas en acción en diferentes grupos de animales. Ese trabajo está comenzando a arrojar nuevos conocimientos sobre las trayectorias evolutivas de la lengua y cómo sus especializaciones impulsaron una mayor diversificación. Kory Evans, biólogo evolutivo de la Universidad de Rice, dice que cuanto más aprenden los biólogos, más convencidos están de que "las lenguas son realmente fantásticas".

Una lengua resulta ser algo resbaladizo de definir. Aunque existen estructuras parecidas a lenguas en prácticamente todos los vertebrados, desde las lampreas hasta los mamíferos, "no existe una definición clara de lo que constituye una 'lengua verdadera'", dice Daniel Schwarz, biólogo evolutivo del Museo Estatal de Historia Natural de Stuttgart. Tendemos a pensar en las lenguas como suaves, musculosas y flexibles, como la nuestra. La lengua humana es un hidrostato muscular que, como un globo de agua, debe mantener el mismo volumen general cuando cambia de forma. Entonces, cuando Mahomes saca la lengua, se vuelve más delgada en general que cuando se amontona en su boca; Lo mismo ocurre con la lengua morada de una jirafa cuando se estira 46 centímetros para enganchar las hojas de la rama espinosa de un árbol.

Pero existen casos más turbios en otras partes del reino animal. El órgano palatino de peces como los pececillos, la carpa y el bagre también puede ser un conjunto de músculos, pero los biólogos no están de acuerdo sobre si debe considerarse una lengua. "En lugar de estar en la parte inferior de la boca, está en la parte superior", dice Patricia Hernández, morfóloga funcional de la Universidad George Washington. Y a pesar de muchas ideas, nadie sabe realmente la función de este órgano, agrega Hernández.

Eso es porque los peces no necesitan lenguas como la nuestra para tragar su comida. Pueden confiar en la succión. Abren sus mandíbulas, expanden sus gargantas y bombean agua a través de sus hendiduras branquiales para crear corrientes que arrastran la comida.

Pero, "en el momento en que los animales sacan la cabeza del agua, la succión se vuelve inútil", dice Schwenk, quien ha dedicado su carrera al estudio de las lenguas de los animales. Una vez que esas criaturas tocaron tierra, "necesitaron algo que tomara el lugar del agua" para atraer presas a su garganta, y el aire no es lo suficientemente denso. Durante millones de años, los primeros marineros de agua dulce probablemente regresaron al océano para tragar presas atrapadas en la tierra. Algunos pueden haber mantenido la cabeza en alto y dejado que la gravedad hiciera el trabajo, como muchas aves en la actualidad.

Pero los ingredientes de una nueva forma de alimentación ya estaban presentes en la anatomía de los peces: una serie de huesos curvos llamados arcos branquiales y los músculos de soporte. En los peces, los arcos branquiales forman las mandíbulas, el hueso hioides que sostiene la parte posterior de la mandíbula y el esqueleto que forma la garganta y las hendiduras branquiales. Cuando los peces se alimentan, los músculos que soportan estas estructuras generan succión al deprimir y retraer el hioides y expandir las hendiduras branquiales para atraer agua. Para los especialistas en lengua, esos movimientos les resultan familiares. "El movimiento del hioides para generar succión es muy similar al movimiento de la lengua hacia adelante y hacia atrás para manipular a la presa", explica Schwenk.

Schwenk y Van Wassenbergh creen que en los primeros vertebrados terrestres los arcos branquiales y los músculos relacionados comenzaron a cambiar para formar una "protolengua", quizás una almohadilla muscular unida al hioides que aleteaba cuando el hioides se movía. Con el tiempo, la plataforma se volvió más larga y más controlable, y más hábil para agarrar y maniobrar presas (ver gráfico a continuación).

Al hacer posible ingerir alimentos sin succión, la evolución de la lengua hace unos 350 millones de años fue clave para permitir que los vertebrados salieran del mar y vivieran en la tierra. Las estructuras esqueléticas utilizadas originalmente para abrir las branquias tuvieron que evolucionar hasta convertirse en huesos que pudieran soportar una lengua y sus movimientos.

Basado en experimentos con tritones, Schwarz cree que una protolengua se volvió funcional incluso antes de la transición a la tierra. Al igual que otras salamandras, los tritones son acuáticos cuando son jóvenes, pero en su mayoría terrestres cuando son adultos. Su metamorfosis, y el cambio en las estrategias de alimentación que la acompaña, podría ser similar a los cambios de agua a tierra que ocurrieron hace cientos de millones de años. Y tiene una pista de cómo podrían haberse desarrollado esos cambios.

Schwarz y su equipo descubrieron que antes de que los tritones se transformen en adultos de pleno derecho, desarrollan un apéndice parecido a una lengua que presiona la comida contra "dientes" afilados en forma de aguja en el paladar. El hallazgo, que él y sus colegas informaron en 2020, sugiere que una estructura en forma de lengua puede haber ayudado a los primeros tetrápodos a alimentarse, incluso antes de que subieran a tierra firme.

Las exigencias de la alimentación pueden haber provocado el surgimiento de la lengua, pero la selección natural la adaptó y perfeccionó para muchos otros propósitos, a veces creando "sistemas especializados ridículamente locos", dice Schwenk. Por ejemplo, las salamandras de dedos palmeados (Hydromantes) sacan una lengua pegajosa para atrapar insectos u otros pequeños artrópodos, disparando todo el esqueleto de la garganta por la boca. Este modo de alimentación implicaba reorganizar los músculos de la garganta, con un conjunto que almacenaba energía elástica que podía liberarse instantáneamente para sacar la lengua, y otro conjunto que volvía a enrollar la lengua.

Otras salamandras, al menos 7600 ranas y sapos, así como camaleones y otros lagartos, han desarrollado de forma independiente otras formas extremas de esta alimentación "balística" de fuego rápido. Los camaleones, por ejemplo, lanzan sus lenguas a casi 5 metros por segundo, atrapando grillos en menos de 1/10 de segundo.

La alimentación balística requirió adaptaciones en las superficies de la lengua y en la saliva que las recubría. La copiosa saliva pegajosa que exudan las protuberancias apenas visibles llamadas papilas puede ayudar a que las lenguas de algunas ranas se vuelvan tan pegajosas que pueden atrapar presas un 50% más pesadas que ellas. La saliva cubre las papilas, que pueden actuar como pequeños dedos pegajosos para ayudar a agarrar a la presa, según informaron David Hu, investigador de biomecánica del Instituto de Tecnología de Georgia, y sus colegas en 2017.

Los lagartos cornudos (Phrynosoma) usan lenguas cubiertas de saliva no solo para atrapar a sus presas, sino también para protegerse de ellas. Las hormigas que comen son poderosas mordedoras y particularmente venenosas, pero las lagartijas se las tragan vivas. En 2008, Schwenk y Wade Sherbrooke, ex director de la Estación de Investigación del Suroeste del Museo Americano de Historia Natural, descubrieron que las gruesas cadenas de moco secretadas por las papilas de la lengua y la garganta incapacitan a las presas nocivas. Más recientemente, Schwenk descubrió que en los lagartos cornudos, los músculos que generalmente forman los lados de la lengua solo están unidos en la parte posterior. La evolución ha reconfigurado las partes libres de los músculos en crestas a lo largo de los lados de la lengua, posiblemente para crear una bolsa mucosa para unir a las hormigas antes de tragar.

Mientras que muchas lenguas de ranas y lagartijas se afinaron para atrapar presas y hacerlas bajar por la escotilla, las lenguas de serpientes evolucionaron para proporcionar un exquisito sentido del olfato, una adaptación que permite a las serpientes detectar y acercarse sigilosamente a presas distantes u ocultas. Las diferencias en las concentraciones de un olor percibido por cada diente de la lengua bífida de una serpiente ayudan a la serpiente a encontrar una presa que no puede ver. Por muy estereotipado que parezca el movimiento de la lengua, en realidad es bastante maleable. Las serpientes que rastrean a sus presas tanto en el agua como en el aire, como la serpiente de agua del norte (Nerodia sipedon), modifican los movimientos de su lengua dependiendo de si su cabeza está bajo el agua, en la superficie o en el aire, Schwenk y su ex estudiante de posgrado William Ryerson informó el año pasado en Integrative and Comparative Biology. Parecen ajustar el patrón de parpadeo para optimizar la recolección de moléculas de olor en diferentes condiciones.

Después de estudiar la morfología, la fisiología y los movimientos de la lengua de docenas de especies de reptiles, Schwenk está asombrado por todo lo que revelan sobre el estilo de vida de un animal. "Si solo me enseñas la lengua, puedo decirte muchas cosas", dice.

La evolución de la lengua ayudó a los reptiles y anfibios a capturar presas animales, pero en las aves, algunas de las adaptaciones de lengua más extravagantes reflejan un gusto por las plantas. La mayoría de las lenguas de las aves son una astilla rígida de queratina (piense en las uñas) o hueso, con poco músculo u otro tejido vivo. Son "solo una cinta transportadora para mover los alimentos de adelante hacia atrás", dice Schwenk. Pero hay excepciones, sobre todo en los colibríes y otras aves que se alimentan de néctar. "La lengua es probablemente el componente más vital para la alimentación de néctar en las aves", dice David Cuban, estudiante de posgrado de la Universidad de Washington (UW) que trabaja con el ecofísico conductual Alejandro Rico-Guevara.

El néctar está lleno de energía y es fácil de encontrar. Pero cada flor ofrece solo una gota más o menos, a menudo secuestrada en una flor larga y estrecha. Muchos colibríes, suimangas y otros grupos de aves no relacionados que se alimentan de néctar hacen frente a estas limitaciones siendo pequeños (por lo general, menos de 20 gramos) y con picos largos y delgados y lenguas altamente especializadas.

Los investigadores solían suponer que estas aves dependían de la acción capilar, la tendencia de un líquido a fluir por un tubo estrecho, para absorber el néctar. Y algunos de ellos lo hacen, incluido el mielero de varios colores (Certhionyx variegatus), que la alumna de Rico-Guevara Amanda Hewes y sus colaboradores han encontrado. En esta especie, la lengua tiene una punta similar a un pincel para recoger el néctar, que luego es arrastrado hacia adentro a lo largo de los surcos que corren a lo largo de la lengua.

Pero para los colibríes, que mueven la lengua 15 veces por segundo mientras drenan cada flor y avanzan rápidamente, la acción capilar no es lo suficientemente rápida, dice Rico-Guevara. Su equipo capturó videos de alta velocidad mientras los colibríes de Anna (Calypte anna), los jacobinos de cuello blanco (Florisuga mellivora), las orejas violetas brillantes (Colibri coruscans), las coquetas festivas (Lophornis chalybeus) y otros colibríes visitaban flores artificiales transparentes cargadas con néctar artificial. Las películas revelaron que la lengua del colibrí funciona como una pequeña bomba de néctar.

Dos surcos corren desde la punta hasta la mitad de su recorrido, revestidos con flecos que atrapan el líquido. A medida que se cierra la punta del pico flexible de las aves, exprime el néctar de los flecos cerca de la parte delantera de la lengua, empujando el líquido hacia adentro; luego, el pico se abre en la base para ayudar a mover el néctar el resto del camino hacia la boca, informó el equipo de Rico-Guevara el 3 de abril en el Journal of Experimental Biology.

Él y sus colaboradores han centrado recientemente su atención en algunas de las aves más extrañas que se alimentan de néctar: ​​los loros. Con 30 centímetros de alto y 100 gramos, el loro arco iris se eleva sobre la mayoría de las aves nectarívoras y es completamente incapaz de flotar en el aire como un colibrí. Tiene el típico pico de loro corto, robusto y ganchudo y una lengua musculosa muy parecida a la nuestra, todas características que hacen imposible sorber el néctar de las flores largas y delgadas. Pero Rico-Guevara y Cuban han identificado adaptaciones que les permiten a estos loros obtener las cosas dulces.

Para empezar, las aves buscan flores más planas y abiertas. Y en lugar de flotar, aterrizan en una rama cercana y contorsionan sus cuerpos alrededor de la flor. Luego abren el pico y sacan la lengua, que sufre una asombrosa transformación al convertirse en una flor. Rico-Guevara descubrió recientemente que la punta de la lengua dura y áspera se abre en una serie circular de finas protuberancias. "Parece una anémona, casi", dice. Estas protuberancias funcionan como las cerdas de un pincel para absorber el néctar.

En un experimento, Rico-Guevara mezcló la solución de néctar de prueba con un compuesto de bario, una versión diluida de lo que los médicos dan a los pacientes para buscar obstrucciones en el tracto digestivo, y luego tomó películas de rayos X de la alimentación de los loritos. Descubrió que una vez que la punta de la lengua está saturada con una gran gota de néctar, el ave la presiona contra la parte superior de la boca, exprimiendo el líquido. Luego cierra su pico, empujando el néctar hacia la garganta, y repite el proceso hasta que se traga todo el néctar.

No es la única forma en que los loros consumen néctar. El año pasado, Cuban filmó la alimentación de los loros colgantes más diminutos, llamados así porque duermen boca abajo. En lugar de una punta de lengua tupida como la del lorito, estos loros tienen una punta de lengua acanalada, y los videos de Cuban revelan que hacen vibrar sus lenguas muy rápidamente para bombear pequeñas cantidades de néctar hacia el esófago y la garganta.

Al describir en detalle cómo se alimentan estas aves y calcular la energía que gastan en el proceso, Cuban, Hewes y Rico-Guevara esperan aprender cómo sus estrategias de alimentación pueden haber moldeado su evolución y la de las plantas de las que se alimentan. Desde que evolucionaron hace 22 millones de años, por ejemplo, los colibríes han influido en la cantidad de néctar que producen sus plantas asociadas y la profundidad de sus flores, y esto a su vez ha influido en la longitud de los picos de los colibríes, su afán por monopolizar las flores ahuyentando a los competidores. , y otros rasgos. Es una danza coevolutiva de pájaros y flores, mediada por sus lenguas.

Sin embargo, es en los mamíferos donde la lengua muestra su máxima versatilidad. La lengua de los mamíferos se ha convertido en una intrincada red de fibras musculares capaces de moverse de formas complejas incluso sin huesos, tendones o articulaciones. Contribuye a mamar en la mayoría de las especies, ayuda con la termorregulación en algunas (imagínese un perro jadeante) y asume tareas aún más especializadas en algunas, como producir los sonidos utilizados para la ecolocación en los murciélagos y el habla en los humanos. Y alberga las papilas gustativas que ayudan a guiar la alimentación en todas estas especies. "Las lenguas de la mayoría de los mamíferos realizan grandes hazañas", dice Hu. "Es realmente una herramienta multifuncional y solo ha recibido menos atención porque es menos accesible que los apéndices externos de un animal".

El trabajo más esencial de la lengua en los mamíferos es posicionar los alimentos para masticarlos y tragarlos. Dependiendo de la especie, eso podría significar cambiar la comida de un lado a otro con cada bocado o limitarla a un solo lado, mientras que la lengua se mantiene segura lejos de morder los dientes. Luego, con la adición de saliva que ayuda a producir, la lengua da forma a la comida triturada en un "bolo" redondeado que puede pasar fácilmente por la garganta. Finalmente, empuja ese bolo hacia atrás para tragarlo, asegurándose de que no entre comida en las vías respiratorias. En cierto sentido, la lengua se ha convertido en una "mano de la boca", dice JD Laurence-Chasen, biólogo del Laboratorio Nacional de Energía Renovable.

Todo este procesamiento permite a los mamíferos digerir los alimentos de manera más rápida y eficiente, por lo que obtienen más de su dieta que la mayoría de los otros animales. Esa generosidad ha alimentado otros avances evolutivos, como una alta tasa metabólica y actividad, embarazos prolongados y cerebros grandes. De hecho, Callum Ross, biomecánico y neurobiólogo de la Universidad de Chicago, cuenta el origen de la masticación como una de las tres transiciones evolutivas de cambio de curso habilitadas por la lengua, junto con el cambio del agua a la tierra y el origen del habla humana.

Hasta hace poco, los investigadores no podían obtener una visión detallada de cómo la lengua maneja la comida porque los labios, las mejillas y los dientes se interponían. Pero últimamente el grupo de Ross ha estado utilizando una técnica llamada reconstrucción de rayos X de la morfología en movimiento (XROMM) que consiste en registrar los movimientos de perlas implantadas quirúrgicamente con rayos X y convertir los resultados en animaciones 3D.

En sus experimentos con zarigüeyas y monos, las cámaras capturan simultáneamente imágenes desde diferentes ángulos mientras un animal come o bebe, y la animación reconstruida permite a los investigadores ver cómo se mueve la lengua en relación con las mandíbulas y los dientes. "Podemos ver características de movimiento que estaban completamente ocultas", explica Elizabeth Brainerd, morfóloga funcional de la Universidad de Brown y pionera de XROMM que ha asesorado a Ross sobre cómo adaptar esta tecnología para sus estudios. Al comparar los movimientos de la lengua en diferentes especies, los investigadores esperan aprender cómo las especializaciones de la lengua pueden haber contribuido a la evolución del estilo de vida y las preferencias alimentarias de cada animal.

Más recientemente, Laurence-Chasen y Ross trabajaron con su colega de Chicago Nicho Hatsopoulos y Fritzie Arce-McShane, ahora neurobióloga en la UW, para combinar el análisis XROMM con registros de actividad neuronal en monos. Esperan que tales estudios revelen cómo el cerebro coordina los complejos movimientos de la lengua involucrados en la alimentación, la bebida y quizás incluso las vocalizaciones. En un experimento, una matriz de electrodos monitoreó una región de la corteza del tamaño de un centavo ubicada detrás de la sien mientras los monos masticaban uvas. Esta región contiene neuronas sensoriales que reciben información de la lengua y la boca y neuronas motoras que envían señales para ayudar a controlar el movimiento de la lengua. El equipo descubrió que el patrón de disparo de las neuronas motoras predijo con precisión los cambios de forma de la lengua, informarán pronto en Nature Communications.

El trabajo da un vuelco a la noción que alguna vez prevaleció de que masticar, como caminar, está principalmente bajo el control del tronco encefálico. La corteza también está muy involucrada, asegurando que la lengua "sea capaz de deformaciones complejas y asimétricas" que se ajustan sobre la marcha a ositos de goma, bistec e incluso batidos, explica Laurence-Chasen.

Whishaw se pregunta si la destreza de la lengua humana podría haber ayudado a allanar el camino para nuestro fino control de nuestras manos e incluso nuestra mente. Su curiosidad se despertó por un hallazgo inesperado hace unos años. Su equipo había enseñado a los ratones a usar las patas en lugar de la boca para recoger fruta. Notaron que algunos animales sacaban la lengua cuando estiraban las patas, informaron en 2018.

En estudios de seguimiento que aún no se han publicado, él, el neurobiólogo de la Universidad de Duke Xu An y sus colegas identificaron lo que llaman la región "oromanual" de la corteza, un área previamente desconocida que ejerce control sobre la mano y la lengua. . Whishaw cree que existe una región cerebral similar en los humanos y podría ayudar a explicar por qué tantas personas gesticulan mientras hablan, por qué los niños que aprenden a escribir a menudo tuercen la lengua cuando sus dedos forman letras, un fenómeno observado por Charles Darwin, e incluso por qué Mahomes saca la lengua. lengua fuera antes de un pase. Sospecha que muchas personas mueven la lengua cuando están a punto de usar las manos, pero debido a que su boca permanece cerrada, nadie se da cuenta.

Una región cerebral común para la mano y la lengua tiene sentido evolutivo, dice Whishaw. En los primeros animales terrestres, una lengua diestra era esencial para alimentarse; más tarde, cuando algunos animales comenzaron a agarrar comida con sus extremidades, la evolución podría haber cooptado el mismo circuito cerebral que guiaba la lengua para coordinar los movimientos de las manos. Él especula que incluso comportamientos más complejos, como el pensamiento, podrían haber surgido de la capacidad intelectual que inicialmente evolucionó para coordinar la lengua. "Creo que es el centro de nuestro ser, por loco que parezca".