Respirar, cantar, seducir
Un nuevo estudio midió el modo en que, durante el canto, la biomecánica respiratoria de los canarios amplía drásticamente el rango de frecuencias que utiliza durante la respiración en reposo. El trabajo describe la estrategia de optimización de una conducta que está moldeada por una intensa selección sexual y demuestra cómo pueden coevolucionar las dinámicas neuronales y sus soportes fisiológicos.
Si bien la evolución moldea los cuerpos de los animales, no está claro hasta qué punto los mismos sistemas biomecánicos que operan en un organismo pueden imponer restricciones y, al mismo tiempo, ofrecer oportunidades para la optimización de distintos comportamientos. Voluntariamente situado en el cruce interdisciplinario entre la física y la biología, entre la fisiología y las neurociencias, ese es el tipo de preguntas que se hace Gabriel Mindlin.
Su último trabajo profundiza en esa vía, a partir de un abordaje de dinámica no lineal de la biomecánica respiratoria de las aves, que reveló que pueden, durante el canto, expandir notablemente el rango de amplificación de la frecuencia natural de su respiración en estado de reposo.
“Suele pensarse el sistema nervioso como algo que genera una instrucción y que el cuerpo obedece. Pero de alguna manera, la biomecánica también condiciona al sistema nervioso. La respiración es un ejemplo –explica el fundador y director del Laboratorio de Sistemas Dinámicos, que funciona en el Departamento de Física de Exactas UBA–. Todo el tiempo tenés que estar respirando. Esto implica hacer oscilar a un dispositivo físico. Y es más fácil hacer oscilar un dispositivo físico si uno lo fuerza a ciertas frecuencias particulares. Es decir, cuando vas a empujar a un chico que se balancea en una hamaca, le imprimís una fuerza cuando se está alejando de vos, y entonces, cuán frecuentemente debas empujarlo, depende de algo que es la frecuencia natural del sistema. O sea, un sistema tiene una velocidad cierta. Tenés que empujarlo acompañando ese movimiento. En ese fenómeno, vos obtenés una respuesta muy significativa si lo forzás a ciertas frecuencias especiales, que son características del sistema, las que al sistema le gustan, y que se llaman resonancias”.
Suele pensarse el sistema nervioso como algo que genera una instrucción y que el cuerpo obedece. Pero de alguna manera, la biomecánica también condiciona al sistema nervioso.
En este sentido, agrega Mindlin, la respiración de las aves, cuando están en reposo, opera en resonancia con su biomecánica respiratoria. “En un primer trabajo ya habíamos mostrado que en el sistema respiratorio de un animal, la respiración ocurre en una resonancia de esas frecuencias naturales. O sea, que el cuerpo tiene ciertas frecuencias naturales que dependen de su elasticidad, de su masa, de su constitución, y el individuo termina respirando justamente en esa frecuencia, que es la frecuencia en la que puede obtener, con menor esfuerzo, la mayor respuesta posible”.
Ahora bien, el canto de las aves, que además es un comportamiento que se considera moldeado por una intensa selección sexual, exige frecuencias respiratorias mucho más elevadas. “Las aves cantoras, que están seleccionadas para el canto, pueden estar cantando todo el día, dependiendo comportamentalmente si están cerca de hembras o no. La pregunta que nos hacíamos respecto de estos pájaros, que se pasan una parte significativa de su vida cantando, es: ¿por qué cantan a una frecuencia tan distinta y muchísimo más rápida que la de su frecuencia respiratoria?”.
Gabriel Mindlin. Fotografía: Luiza Cavalcante.
Entre sílaba y sílaba de su canto, las aves realizan una pequeña inspiración, es decir, mantienen una conducta respiratoria, produciendo el sonido en el momento de la exhalación. Los canarios (Serinus canaria), los pájaros con los que se realizó el estudio, respiran a una velocidad de entre 2 y 3 Herz (la unidad utilizada para medir los ciclos respiratorios y la sincronización entre los pulmones, el corazón y el sistema nervioso). “Pero la generación de sílabas en el canto –señala Mindlin– puede tener una velocidad de entre 15 y 20 Hz. O sea, generan muchísimas sílabas por segundo, en un régimen respiratorio totalmente distinto. A priori, parecía raro que algo que las aves hacen durante tanto tiempo, lo hagan en un régimen que, en principio, es tan distinto al normal. Lo que pudimos demostrar es que el proceso mismo de generar el canto involucra mecanismos no lineales”.
Mediante la combinación de registros fisiológicos y un modelo biomecánico no lineal, Mindlin y su equipo demostraron efectivamente que la producción del canto en los canarios lleva al sistema a un régimen no lineal, que extiende notablemente el rango de frecuencias de las respuestas amplificadas.
Esta mejora abarca todo el espectro de tasas silábicas, alcanzando aproximadamente una amplificación media en las frecuencias del 94%. De este modo, el canto aprovecha un régimen de alta amplificación, que extiende el soporte biomecánico más allá de la estrecha resonancia que se observa durante la respiración en reposo.
La comunicación a través del canto tiene en estas aves un rol vital desde el punto de vista sexual, y es por eso una actividad tan prolongada.
“Uno de estos mecanismos no lineales se pone en evidencia en las espiraciones, que son mucho más intensas. En la medición, es como un resorte, que, si lo estirás mucho, ya estás muy lejos de su régimen lineal. Y otro fenómeno que introduce la no linealidad es que cuando van a espirar para poder cantar, los pájaros achican su tracto vocal. Es decir, al acercar los labios de la siringe –las piezas clave del aparato de fonación de las aves, en la base de la tráquea, que al vibrar, modulando el flujo del aire, producen los sonidos–, se genera una gran resistencia a la salida de aire. El hecho de que, dependiendo de la presión, cambie la configuración del sistema, es también una no linealidad”, destaca Mindlin.
“Y lo que entonces nos preguntamos es: ¿Alcanzan esos mecanismos no lineales para correr las resonancias del sistema? Y la respuesta es que sí, que las cambian, y que las frecuencias en las que cantan se convierten en las nuevas resonancias del sistema, en el nuevo régimen de operación. O sea, que pueden alternar entre un régimen y otro. Cuando van a respirar, tienen unas instrucciones más débiles y todas las no linealidades quedan escondidas, los ductos para respirar quedan totalmente no obstruidos, y entonces las resonancias del sistema bajan. Y para cantar, el ‘precio que pagan’ es cambiar las resonancias de su biomecánica respiratoria, cantando en las frecuencias en las que ahora efectivamente resuena su aparato vocal, pero con nuevos parámetros. Es decir, siempre están operando en una resonancia, pero la reconfiguración física de ese aparato les permite operar en una u otra resonancia. Eso explica por qué respiran a una velocidad y cantan a otra”.
Mindlin y sus colaboradores midieron los diferentes mecanismos de la respiración de los canarios. “Les colocamos –describe– unos transductores de efecto Hall, que sensan la presencia de campo magnético, con un pequeño imán que permite monitorear el movimiento del abdomen. Medimos también la presión de los sacos aéreos y la actividad de los músculos espiratorios. Toda esa información se incorporó a un modelo matemático que nos permitió ir ajustando los parámetros para estudiar, en definitiva, para qué frecuencias ese dispositivo biomecánico iba a tener sus resonancias. Y allí encontramos que las frecuencias en las que el sistema es resonante son justamente las frecuencias en las que el pájaro canta. Entonces, el individuo canta y respira en las resonancias de la biomecánica que se producen, según el régimen de operación, en lugares distintos”.
El trabajo observó un aspecto del sistema nervioso que coevolucionó con una biomecánica, en el sentido de optimizar tanto la respiración como el canto.
Y en tanto está asociado a la reproducción de la especie, se trata de un mecanismo evolutivo. “La comunicación a través del canto tiene en estas aves un rol vital desde el punto de vista sexual, y es por eso una actividad tan prolongada: cantan de una manera incansable. Esa actividad necesita, por lo tanto, ser optimizada. Evidentemente, ese sistema físico habrá coevolucionado de manera tal de obtener, en términos de supervivencia, el máximo aprovechamiento de la energía. El canto, que es reproductivamente importante, y que por eso debe realizarse durante mucho tiempo, debe ser, desde el punto de vista energético, lo más eficiente posible. Igual que respirar. Es lo que busca este mecanismo”.
El trabajo es la tesis de doctorado del físico Facundo Fainstein, primer autor del paper publicado en la revista PRX Life, y contó con la participación del biólogo austríaco Franz Goller, histórico colaborador de Mindlin, hoy en la Universidad de Münster.
Y sus resultados muestran que hay en los pájaros cantores una estrategia de optimización común a esos diferentes estados conductuales –la respiración en reposo y el canto–, lo que revela una profunda conexión entre los parámetros dinámicos neuronales y los biomecánicos, y demuestra además que estas manifestaciones seleccionadas sexualmente también pueden fundarse en este tipo de procesos de mejora evolutiva.
“El canto suele estudiarse desde el punto de vista de la neurociencia, pero de alguna manera, lo que vemos aquí es que los regímenes de operación de un sistema nervioso están íntimamente vinculados con la biofísica del aparato que el sistema controla. Que hay una integración muy grande entre el cuerpo y el sistema nervioso, al punto que no pueden estudiarse desacoplados –concluye Mindlin–. O sea, la manera en la que las especies desarrollaron sus conexiones neuronales para generar estos comportamientos periódicos, resultaron evolutivamente en la optimización del aparato biomecánico a través del cual se los ejecuta. Vemos un aspecto del sistema nervioso que coevolucionó con una biomecánica, en el sentido de optimizar tanto la respiración como este otro comportamiento, que es el canto. La conclusión es, de vuelta, que resulta necesario estudiar de forma integrada el cuerpo y sistema nervioso: el condicionamiento neurológico sobre el sistema biomecánico que lo ejecuta, y viceversa, el condicionamiento de la biomecánica sobre el sistema nervioso, que coevolucionan para generar en el organismo mecanismos funcionales más eficientes”.
