¿El cómo, para qué y con qué de las conchas marinas? ¿Te lo habías preguntado?

Tema y enfoque: Cuando has visitado la playa (y explorado entre la arena), el mercado de tu comunidad (buscando pescados y mariscos), o algún restaurante (donde encuentras productos del mar para degustar), seguramente te has topado con estos organismos tan particulares y sumamente populares en la gastronomía, los cuales desempeñan un papel crucial en el medio ambiente. ¿Alguna vez te has preguntado por qué las almejas tienen una estructura sólida en su exterior? ¿Qué son y para qué sirven estas cubiertas duras, de colores y formas tan diversas? Bueno, vamos a revisar la información al respecto.

Primero lo primero, ¿Qué son los moluscos? 

Así es, las conchitas que encontramos entre la arena de la playa o las almejas que están en la sección de pescados del mercado local pertenecen al grupo de los moluscos. Este es el segundo grupo más abundante dentro de los invertebrados, ubicado después de los artrópodos (como insectos y arañas), y es uno de los más grandes del reino animal. Además, es uno de los más diversos en su morfología (Castillo-Rodríguez, 2014). La mayoría de las especies que lo conforman son marinas, aunque también los moluscos encuentran en ambientes terrestres y de agua dulce. Son conocidos como los “ingenieros de los ecosistemas” debido a sus diseños únicos y llamativos. Su éxito evolutivo y ecológico se atribuye en gran parte a la presencia de un esqueleto externo (la concha) que les proporciona soporte estructural y protección contra depredadores y otros factores ambientales estresantes. Además, contribuye al mantenimiento de su "homeostasis fisiológica" (regulación de las funciones de su cuerpo).

En general, el cuerpo de los moluscos está conformado, aunque no en todos los casos, por tres zonas que son fáciles de distinguir: la cabeza, que puede presentar diferentes estructuras sensoriales; un pie muscular; y la masa visceral, la cual está cubierta por una delgada capa llamada manto. Esta zona es importante, ya que secreta proteínas responsables de la generación de un esqueleto calcáreo duro (más adelante retomaremos esa parte) conocido como concha, formando una cavidad que alberga las branquias y los sistemas digestivo, genital y de desecho del animal (Fig. 1); el agua del medio ambiente circula a través de esta cavidad. Una característica única es la presencia de la rádula (a excepción de los bivalvos), que es una estructura dentada que funciona a manera de “lija” durante la alimentación.

Figura 1. Mejillón Mytilus californius, donde se observan diferentes tejidos.

Los registros fósiles indican que fueron los moluscos quienes, por primera vez, desarrollaron tejido externo duro hace más de 500 millones de años. Este grupo ha experimentado una exitosa evolución desde la prehistoria, en gran parte debido a su habilidad para construir conchas que funcionan como protección y que están compuestas principalmente de carbonato de calcio (Nagasawa, 2013).

Uno de los grupos de moluscos más ampliamente distribuidos en el medio ambiente marino y en agua dulce son los bivalvos. Vamos a enfocar nuestra atención en ellos debido a las características de su ciclo de vida, que les confieren una gran importancia ecológica. Además, son de gran relevancia para las pesquerías de todo el mundo y tienen importancia directa para el consumo humano.

Bivalvos ¿Qué clase de animales son?

Dentro de este grupo se encuentran, entre otras especies, las almejas, ostras y mejillones. Estos moluscos se caracterizan por tener un cuerpo suave, comprimido lateralmente, y completamente cubierto por la concha. Esta última se distingue por tener dos valvas (de ahí el origen de su nombre) conectadas por un ligamento elástico que mantiene cerrado el espacio de la cavidad del manto. Son especies que carecen de una cabeza distinguible, así como de ojos y tentáculos. Se alimentan mediante la filtración y, en su mayoría, viven fijos al sustrato que se encuentra en el fondo marino.

¡Lo que tienes que saber sobre la composición de las conchas de los bivalvos!

En términos generales, las conchas de los moluscos se organizan en tres capas: la capa más externa se llama periostraco (protege la concha), la zona intermedia (ostraco) y la capa más interna (hipostraco). La formación de la concha implica la secreción de una matriz orgánica compuesta principalmente de proteínas. Todas sus capas están compuestas por cristales de carbonato de calcio muy bien organizados, con menos del 5% de material orgánico en su composición. Se ha demostrado que existe una increíble variedad de proteínas involucradas en este proceso. Una de las principales proteínas de la matriz es la Prismalina, la cual concentra iones de calcio para el proceso de calcificación (Ivanina, 2017). Otra forma de identificar las capas de las conchas en bivalvos es considerando dos capas mineralizadas; la capa interna nacarada y la capa prismática externa, las cuales están compuestas de diferentes variedades de carbonato de calcio como aragonita y calcita, respectivamente (Figura 2). Las secreciones celulares del manto (centro y margen del manto) son la materia prima para su formación.

Figura 2. Concha de Atrina maura (callo de hacha) donde se indican las partes (flechas negras) y composición (líneas azules) de la concha. a) Parte externa de la concha, b) parte interna de la concha. Recuadro azul representa la capa prismática de la concha a nivel microscópico, foto tomada mediante Microscopía Electrónica de Barrido.

Las conchas de los bivalvos son estructuras complejas compuestas por compuestos minerales y orgánicos. Poseen una organización única y propiedades mecánicas más sofisticadas en comparación con los carbonatos de calcio geológicos. La formación de la concha está regulada por un proceso biológico (biomineralización) que permite a estos moluscos construir y mantener sus conchas en diferentes ambientes, incluso en aquellos que no son favorables para la obtención de minerales.

El estudio de la estructura de las conchas de los moluscos se lleva a cabo principalmente mediante microscopía para examinar su conformación física. En cuanto al análisis de los genes y proteínas involucrados en el proceso de formación de estas conchas, se realiza principalmente a través de la evaluación de transcriptomas, que representan la colección de todos los genes expresados en una célula en diferentes condiciones, y proteomas, que se centra en el estudio de las proteínas expresadas; a nivel molecular, se examinan los genes y proteínas.

¿Qué es la biomineralización?

Cada molusco está constituido por compuestos orgánicos e inorgánicos. Los compuestos inorgánicos pueden existir como iones solubles y como minerales sólidos, incluyendo cristales y acumulaciones no cristalinas. Estos materiales sólidos inorgánicos son utilizados por los organismos para diversos propósitos como: defensa contra depredadores, mantenimiento de la estructura corporal, masticación y procesos de detoxificación, entre otros ejemplos. La mayoría de estos materiales inorgánicos están hechos de diversas variedades de calcio, como carbonato, fosfato y sulfato de calcio. El fosfato de calcio se destina principalmente a la formación de huesos y dientes en los vertebrados, mientras que el carbonato de calcio se encuentra ampliamente distribuido en tejidos duros, incluyendo las conchas de moluscos, exoesqueletos de crustáceos y esqueletos de coral (Nagasawa, 2013).

La biomineralización es el proceso mediante el cual los organismos vivos producen de manera controlada estructuras hechas a base de minerales, que pueden adoptar formas de cristales ordenados o amorfos, a partir de iones inorgánicos mediante un proceso celular, como sucede en la formación de las perlas. En la naturaleza, el proceso de mineralización suele requerir altas temperaturas y/o presiones. Un ejemplo de esto es la formación de diamantes, que, una vez pulidos y cortados, se consideran piedras preciosas. Sin embargo, antes de alcanzar ese estatus, son simplemente formaciones minerales generadas a partir de moléculas de carbono. Estas moléculas, sometidas a una elevada presión y temperatura en la corteza terrestre, experimentan una transformación en su estructura molecular, dando origen a lo que conocemos como la piedra preciosa.

Los organismos capaces de producir biominerales también generan diversas moléculas que interactúan con estos iones, permitiendo la formación de estructuras en condiciones ambientales atmosféricas. No obstante, es importante aclarar que no estamos sugiriendo la producción de diamantes dentro de los bivalvos. Sin embargo, existen dos fenómenos que seguramente has escuchado: el primero de ellos es la formación de "piedras" en riñones, principalmente identificadas en humanos y otros pequeños mamíferos con los que convivimos habitualmente, como nuestros perros y gatos. Este fenómeno resulta de la acumulación de diversos minerales que afecta la salud, es decir, se vuelve patológico para quienes lo presentan. En este caso, la alimentación de estos organismos y el pH de los órganos donde se forman desempeñan un papel importante en su desarrollo.

El segundo caso, del que seguramente has oído hablar, es la formación de perlas en una especie de ostra conocida popularmente como ostra perlera. A diferencia de los diamantes, estas perlas resultan de la entrada de una partícula desconocida a la ostra. Como parte de un sistema de defensa, la ostra secreta sustancias minerales formadoras de concha para recubrir esta partícula, iniciando la formación de una perla. Por cierto, estas perlas pueden considerarse como piedras preciosas debido a sus tonalidades llamativas, tamaño y tiempo de formación. Debido a su valor económico y su compleja microestructura en la concha, la ostra perlera es una de las especies de moluscos más interesantes para estudiar el proceso de biomineralización. Por lo tanto, este proceso tiene una gran importancia económica en la industria de la acuacultura y la perlería.

Figura 3. Ostra perlera China. Fotografía: SvetlanaSF a través de Canva.

Importancia del estudio de la formación de las conchas        

Los bivalvos son un grupo de gran interés en el estudio de las respuestas biológicas ante modificaciones medioambientales, principalmente debido a su importancia ecológica y económica. Sus cualidades durante el desarrollo, como ser 'sésiles' (que se fijan a un lugar), su distribución global, la exposición a cambios en su entorno, como concentraciones de oxígeno, y su capacidad para acumular contaminantes, los convierten en buenos bioindicadores de condiciones medioambientales.

La formación de la concha en bivalvos y moluscos en general desempeña un papel crucial como estrategia de adaptación, protección y estructura en la conformación de una comunidad de organismos, incluso para aquellos que no son moluscos. Pueden funcionar como sustrato para algunas otras especies animales. Los estudios que se han desarrollado en los últimos años han ganado mayor atención recientemente y están enfocados en su caracterización y cambios en su conformación. Estos estudios nos permiten entender si alguna situación en particular que cause estrés en estos organismos puede afectar la salud, distribución o incluso la supervivencia de alguna especie en particular. Esto, a su vez, impactaría directamente en la estructura del ecosistema.

Por otro lado, sabemos que la formación de las conchas deriva de una compleja serie de reacciones químicas que resultan en un intercambio iónico para producir una estructura determinada. Si las condiciones ambientales en las que se llevan a cabo estas organizadas reacciones químicas cambian drásticamente, podrían ocasionarse problemas importantes en el proceso de biomineralización de los bivalvos, afectando de manera significativa el desarrollo de su ciclo de vida. Esto nos lleva casi inmediatamente a preguntarnos: ¿Cómo puede afectar el calentamiento global a estas especies?

¿Cuál es la biotecnología detrás de las conchas marinas?

El estudio de las conchas marinas ha revelado valiosas perspectivas en el ámbito de las aplicaciones biotecnológicas. La información obtenida acerca de la biomineralización en estos organismos ha inspirado avances significativos en la fabricación de materiales biomiméticos. Por ejemplo, la comprensión detallada de la composición química y estructural de las conchas ha conducido al desarrollo de materiales sintéticos con propiedades similares, como resistencia y ligereza, que son fundamentales en la creación de implantes médicos y dispositivos biomédicos. Además, el conocimiento de las proteínas específicas involucradas en la formación de las conchas ha allanado el camino para aplicaciones en ingeniería de tejidos y regeneración ósea. Estas aplicaciones biotecnológicas demuestran cómo el estudio de las conchas marinas no solo amplía nuestra comprensión de la vida marina, sino que también contribuye de manera significativa al avance de la medicina y la ingeniería biomédica (Green et al., 2015).

Conclusiones y perspectivas

En conclusión, el estudio de la fisiología de los moluscos y la formación de sus conchas no solo profundiza nuestro entendimiento de la biología marina, sino que también abre puertas a aplicaciones biotecnológicas innovadoras. Comprender los mecanismos fisiológicos detrás de la biomineralización en moluscos proporciona información valiosa para la creación de biomateriales sintéticos con propiedades excepcionales, cruciales en el campo biomédico. La implementación de este conocimiento tiene el potencial de revolucionar la fabricación de implantes médicos y dispositivos, mejorando la calidad de vida de pacientes. Además, la identificación de proteínas específicas en el proceso de formación de conchas allana el camino para aplicaciones en ingeniería de tejidos y regeneración ósea. Estas perspectivas no solo enriquecen la investigación marina, sino que también prometen contribuciones significativas al avance de la medicina y la biotecnología biomédica, abriendo nuevas posibilidades para la innovación y la mejora de la salud humana.

Referencias

Buddawong, T., Asuvapongpatana, S., Suwannasing, C., Habuddha, V., Sukonset, C., Sombutkayasith, C., McDougall, C., Weerachatyanukul, W. (2021). Calcineurin subunit B is involved in shell regeneration in Haliotis diversicolor. PeerJ, 9:e10662, 1-18.

Castillo-Rodríguez, Z. G. (2014). Biodiversidad de moluscos marinos en México. Revista Mexicana de Biodiversidad, Supl., 85, 419-430.

Green, D., Kwon, H., Jung, H. (2015). Osteogenic potency of Nacre on human mesenchymal stem cells. Molecules and Cells, 38(3), 267-272.

Hüning, A. K., Lange, S. M., Ramesh, K., Jacob, D. E., Jackson, D. J., Panknin, U., Gutowska, M. A., Philip, E. E. R., Rosenstiel, P., Lucassen, M., Melzner, F. (2016). A shell regeneration assay to identify biomineralization candidate genes in mytilid mussels. Marine Genomics, 27, 57-67.  

Ivanina, A. V., Falfushynska, H. I., Beniash, E., Piontkivska, H., Sokolova, I. M. (2017). Biomineralization-related specialization of hemocytes and mantle tissues of the pacific oysters Crassostrea gigas. Journal of Experimental Biology, 220(18), 3209-3221.

McDougall,C., Degnan, B. M. (2018). The evolution of mollusc shells. WIREs Developmental Bioloy, 7(3), 1-13.

Nagasawa, H. (2013). The molecular mechanism of calcification in aquatic organisms. Bioscience Biotechnology Biochemistry, 77(10), 1991-1996.