Resumen

Muchos escarabajos que habitan el suelo pasan desapercibidos al ojo humano debido a su pequeño tamaño y colores poco llamativos. Este es el caso de los escarabajos conocidos como vagabundos, de la familia Staphylinidae. Dichos escarabajos son comunes en muchos ecosistemas terrestres y se les encuentra asociados principalmente a la hojarasca; también viven bajo piedras y troncos, o son errantes sobre el suelo. Este grupo de escarabajos desempeña un papel funcional como depredadores de otros invertebrados, tanto en ecosistemas naturales, como en los sistemas agrícolas. En el escrito, destacamos su enorme diversidad, las múltiples interacciones ecológicas que establecen con otras especies y su importancia para la salud de los ecosistemas.
Palabras clave: insectos, depredadores, macrofauna del suelo, estafilínidos.

Rove beetles: our invisible allies on the ground

Abstract

Many ground-dwelling beetles are unnoticed by the human eye due to their small size and inconspicuous colors. This is the case of rove beetles that belong to the Staphylinidae family. These beetles are common in many ecosystems and are associated with leaf litter, live under rocks and logs, or are walking on the ground. In the work we show how this group of beetles plays a functional role as predators of other invertebrates both in natural areas and in agricultural systems. In addition, we highlight its enormous diversity, the multiple ecological interactions established with other species and its importance for the health of ecosystems.
Keywords: insects, predators, ground macrofauna, staphylinids.

¿Qué son los estafilínidos y cómo es posible reconocerlos?

Los escarabajos conocidos como “vagabundos” o “errantes” son coleópteros que pertenecen a Staphylinidae, una de las familias de insectos más diversas a nivel mundial con cerca de 63 mil especies descritas (Irmler y Lipkow, 2018). La mayoría de los estafilínidos se diferencian fácilmente de escarabajos de otras familias por presentar las antenas filiformes (i.e., antenas en forma lineal sin presentar mazo), y el primer par de alas cortas y endurecidas (conocidas también como élitros), dejando el abdomen expuesto y flexible (Parker, 2017, figura 1a). Aunque podemos encontrar excepciones, algunas especies de las subfamilias Omaliinae, Scaphiidinae y Scydmaeninae presentan los élitros alargados cubriendo la mayor parte del abdomen. En general, los estafilínidos pueden mover su abdomen y plegarlo o recurvarlo hacia arriba de forma similar a como lo hacen los alacranes o los insectos conocidos como tijerillas (orden Dermaptera, figura 1b), con los cuales son comúnmente confundidos (Navarrete-Heredia et al., 2002).

Si bien la gran mayoría de los representantes de estos escarabajos tienen el cuerpo plano y delgado (ver figura 2, panel 2.1, 2.9), ellos exhiben una gran diversidad de formas: algunas especies tienen el abdomen cilíndrico (figura 2, panel 2.2, 2.5), mientras que otros son de cuerpo redondo y compacto (figura 2, panel 2.4, 2.7). Contrario a lo observado en otros grupos de escarabajos, el común de los machos de los estafilínidos no exhiben estructuras morfológicas llamativas, como grandes cuernos, mandíbulas enormes o patas extremadamente largas que los diferencien de las hembras. En algunas especies la diferenciación sexual de estafilínidos es muy sutil, se observa principalmente en machos con un tamaño de la cabeza mayor y mandíbulas un poco más grandes que las hembras, en modificaciones de las patas traseras e incluso en la presencia de pequeños cuernos en la cabeza (Navarrete-Heredia et al., 2002). Descrito lo anterior, el objetivo de este artículo es dar a conocer la existencia del grupo de seres vivos más numeroso de nuestro planeta: los estafilínidos.

¿Por qué no los vemos?

A diferencia de otros insectos vistosos y comunes en los bosques, cultivos y zonas urbanas, los estafilínidos son en general de tamaño pequeño (6 mm), de coloración oscura y opaca, principalmente de color marrón o negro, lo que dificulta su observación y por esta razón pasan desapercibidos ante la vista humana. Los estafilínidos, junto con las arañas y las hormigas, dominan en los suelos de los bosques y los campos agrícolas, donde las especies suelen vivir en la hojarasca y en los troncos en descomposición, sitios donde predominan alta humedad y bajas temperaturas (figura 2). Además, el común de las especies son de hábito nocturno, lo que significa que se esconden durante el día y salen en búsqueda de alimento o pareja cuando se oculta el sol (Parker, 2017; Frank y Thomas, 2002).

¿Por qué son tan exitosos?

Los estafilínidos tienen innumerables estrategias de vida que les ha permitido colonizar diversos ambientes, desde el nivel del mar hasta la cima de las montañas, en alturas superiores a 4000 m. Los biólogos sugieren que el gran número de especies de escarabajos errantes se debe, en parte, a que presentan altas capacidades de movimiento ya que son buenos voladores y caminadores, lo que les ha permitido conquistar y explorar distintos ambientes (Pohl et al., 2007). Aunque la mayoría de las especies dominan el suelo y están asociadas a cadáveres de animales y a restos vegetales, muchas otras viven en nidos de hormigas, termitas, aves y mamíferos. También se conocen especies que viven asociados a hongos o en lugares muy húmedos cerca de ríos y arroyos (Frank y Thomas, 2002). Debajo de la hojarasca, directamente en el suelo, también es posible encontrar a los estafilínidos menos conocidos y de menor tamaño (1.8 mm), que al parecer se alimentan de organismos microscópicos (Navarrete-Heredia et al., 2002).

El grueso de las especies de estafilínidos son depredadoras voraces de otras especies de invertebrados, algunas más se alimentan de hongos y son conocidas como micófagas, otras son fitófagas, se alimentan de tejido vegetal vivo, y las hay saprófagas, es decir que se alimentan de materia vegetal o animal en descomposición. Existen especies de estafilínidos cuyas larvas se alimentan y desarrollan en el interior de otras larvas o pupas de moscas, esta estrategia se conoce como parasitoidismo, como es caso del género Aleochara (Navarrete-Heredia et al., 2002).

¿Son nocivos para los seres humanos?

Casi el total de los estafilínidos son completamente inofensivos, aunque hay pocas especies conocidas que pueden llegar a ser nocivas para los seres humanos, entre ellas se encuentran algunas especies conocidas como bichos de fuego, culebrillas, panchos o picabueyes, pertenecientes al género Paederus (figura 3). Estos pequeños escarabajos habitan en todo el mundo y suelen tener una coloración naranja con los élitros azules. Si se les molesta o se les aplasta contra la piel humana, esos escarabajos segregan una sustancia irritante que causa una aguda dermatitis de contacto (Silva et al., 2014). La sustancia es conocida como pederina, una potente toxina que produce ampollas y es usada como mecanismo de defensa contra sus enemigos naturales y se encuentra presente tanto en los huevos, como en las larvas y en los adultos; cuando dicha sustancia entra en contacto con la piel humana se produce una lesión en forma de vejiga, que viene acompañada con una sensación de ardor, dolor y escozor (Silva et al., 2014). En México se conocen diecinueve especies de culebrillas, pero hasta ahora sólo se ha reportado un único caso de dermatitis en el estado de Jalisco (Navarrete-Heredia et al., 2002).

Escarabajos errantes, hormigas y termitas: una relación huésped y anfitrión

Varias especies de estafilínidos son habitantes estrictos en nidos de hormigas (figura 2, panel 4), mientras que otras usan los desechos de los nidos como fuente de alimento (Márquez y Navarrete-Heredia, 1994; Navarrete-Heredia et al., 2002). A las especies que viven en las colonias de otras especies se les denomina parásitos sociales. A través de cambios dramáticos de la forma del cuerpo, el comportamiento y la imitación química de sustancias de comunicación conocidas como feromonas, los estafilínidos parásitos ganan la aceptación de las hormigas y se aprovechan de ellas. Así, los escarabajos pasan como impostores, ya que se parecen, caminan, huelen y se comportan similar a las hormigas. Una vez que los escarabajos son aceptados en las colonias, roban en secreto la comida de las hormigas y se comen sus huevos, engañándolas para alimentarse con las crías de la colonia. Incluso algunas especies de estafilínidos se reproducen dentro de los nidos y hacen que las hormigas alimenten y críen a sus propias larvas (von Beeren et al., 2018). Estrategias similares han sido observadas en los estafilínidos que viven en los nidos de termitas en distintas regiones del mundo. Esta asociación es conocida como termitófila, ya que las especies están morfológicamente especializadas para vivir en los nidos de las termitas y pasar al menos un estado completo de su ciclo de vida (Moreira et al., 2019).

Pequeños pero importantes

Dada su alta diversidad y sus variadas formas de vida, los escarabajos son elementos claves de las redes tróficas en cultivos y pastos. La importancia ecológica de estos escarabajos en los ecosistemas es incalculable y hasta ahora poco estudiada, especialmente en las regiones tropicales.

Los estafilínidos pueden llegar a ser cinco veces más abundantes que otros artrópodos depredadores, como es el caso de las arañas (Klimaszewski et al., 2018), por lo que también son considerados depredadores importantes en los ecosistemas. Sus presas suelen ser otros insectos e invertebrados que habitan en el suelo (Good y Giller, 1991). En general, los escarabajos de menor tamaño suelen consumir huevos de otros insectos, mientras que escarabajos más grandes depredan a las larvas y los adultos (Halimov, 2020). Por su parte, el común de los estafilínidos depredadores que viven en el suelo y están asociados a la hojarasca (figura 4) son considerados como potenciales agentes de control biológico en cultivos de cereales, como el trigo, la cebada y el maíz (Bohac, 1999; Klimaszewski et al., 2018).

Figura 4. Estafilínido depredador localizado frecuentemente en el suelo (subfamilia Staphylininae).
Foto © David Hoyos Velásquez.

Algunas, aunque pocas especies de escarabajos, también se alimentan de partes florales, polen y néctar; otras son polinizadoras, en particular de un conjunto de plantas como los anones, las magnolias y las aráceas (Sayers et al., 2019). Asimismo, ciertos estafilínidos forman congregaciones en las brácteas florales de plantas conocidas como heliconias (Heliconiaceae) y columneas (Gesneriacea), donde depredan larvas y pupas de moscas o se alimentan de materia orgánica en descomposición (López-García y Marín-Gómez, 2018). Además de ser en su mayoría escarabajos depredadores, hay un grupo que se alimenta de materia vegetal o animal en descomposición, es decir, son saprófagas, encontradas comúnmente en la hojarasca, en troncos en descomposición, sobre hongos o utilizando recursos efímeros como las brácteas florales, frutos en descomposición o cadáveres de animales (Navarrete-Heredia et al., 2002; Parker, 2017). Lo anterior implica que diversos estafilínidos contribuyen al reciclado y redistribución de nutrientes en el suelo.

¿Qué acciones humanas pueden afectar a estos escarabajos?

Las actividades humanas productivas han transformado el planeta y han cambiado la dinámica ecológica de los ecosistemas nativos afectando a diversas especies de plantas y animales. Asimismo, la mayoría de las especies depredadoras especialistas son sensibles a la fragmentación o el reemplazo total de los bosques nativos por sistemas agrícolas (Bohac, 1999; Navarrete-Heredia et al., 2002; Klimaszewski et al., 2018). Por otro lado, la remoción de hojarasca y la exposición al suelo desnudo afectan a los escarabajos vagabundos debido, probablemente, a la reducción de la humedad del suelo, lo que los hace propensos a la desecación (Klimaszewski et al., 2018). Por su sensibilidad al cambio de hábitat y a las condiciones microclimáticas en el suelo (Bohac, 1999; Klimaszewski et al., 2018; Méndez-Rojas et al., 2021), estos estafilínidos son considerados indicadores de la perturbación antrópica.

En conclusión, la transformación de los hábitats boscosos por cultivos y pastos reduce la riqueza de especies de escarabajos en diferentes regiones del planeta, donde sólo las especies más generalistas prevalecen en los agroecosistemas (Méndez-Rojas et al., 2021). La expansión urbana también afecta a estos escarabajos, en particular a las especies con hábitos saprófagos que dependen de la alta humedad de los bosques para vivir (Magura et al., 2013). Las razones anteriores hacen importante visibilizar y divulgar la existencia de grupos como los estafilínidos, ya que sólo podemos conservar lo que realmente conocemos, y a pesar de su pequeño tamaño y lo poco llamativo de su coloración, los escarabajos son de gran importancia para el mantenimiento y la funcionalidad de los ecosistemas.

Referencias

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Recepción: 08/09/2021. Aprobación: 09/12/2022.

Resumen

La Sierra Norte de Oaxaca es hogar de una extraordinaria diversidad de mamíferos silvestres, como jaguares, venados cola blanca, tapires, roedores, murciélagos y musarañas. Sin embargo, hace apenas unos miles de años, también habitaban otras especies sorprendentes, las cuales ya no existen más. Es posible que durante el Último Máximo Glacial (o Edad de Hielo), un periodo marcadamente frío y seco en la historia de la Tierra, algunos mamíferos de talla grande como los gliptodontes mexicanos, perezosos gigantes y mammuts colombinos también fueran habitantes comunes de esta región, por lo que las comunidades de mamíferos eran aún más ricas y diversas de las que conocemos en la actualidad. Este artículo intenta recordarnos que la diversidad y distribución de las especies no es estática, sino cambiante. Lo que vemos en la actualidad no fue así en el pasado ni será así en el futuro.
Palabras clave: ciudad, ecología urbana, urbanización, ecosistema.

Ice Age mammals in the Sierra Norte de Oaxaca

Abstract

The Sierra Norte de Oaxaca is home to an extraordinary diversity of wild mammals, such as jaguars, white-tailed deer, tapirs, rodents, bats, and shrews. However, just a few thousand years ago, other notable species also lived there, which no longer exist. It is possible that during the Last Glacial Maximum (or Ice Age), a markedly cold and dry period in Earth’s history, some large mammals such as the Mexican glyptodonts, giant sloths, and Columbian mammoths were also common inhabitants of this region, for which mammalian communities were even more prosperous and diverse than we know today. This article tries to remind us that the diversity and distribution of species are not static but changing. What we see today was not so in the past and will not be so in the future.
Keywords: biodiversity, climate change, evolution, glaciations.

Una región muy rica

La Sierra Norte de Oaxaca es una de las ocho regiones en las que está dividido el estado de Oaxaca. Se caracteriza por poseer montañas que superan los 3,000 metros sobre el nivel del mar, aunque también contiene tierras bajas que descienden hasta la planicie costera del Golfo de México (Figura 1). Su compleja fisiografía crea una amplia variedad de climas, el establecimiento de diferentes ecosistemas como la selva alta perennifolia, una alta riqueza de especies y, los bosques de niebla y de coníferas. Esta región aporta servicios ambientales a la sociedad y economía del estado, tal como agua, alimento, polinización de flores que resulta en la producción de frutos, regulación del clima, entre otros. Por lo anterior, la Sierra Norte de Oaxaca es considerada una zona prioritaria para conservar en México.

Figura 1. La Sierra Norte de Oaxaca posee montañas, valles y planicies. El recuadro superior derecho muestra el cambio abrupto de elevación en dirección oeste a este.

Uno de los grupos más diversos y abundantes en esta región es el de los mamíferos silvestres. Aquí habitan poco más de 110 especies de mamíferos, representando el 20% del total nacional. Entre las especies más emblemáticas están el jaguar (Panthera onca), venado cola blanca (Odocoileus virginianus), tapir (Tapirella bairdii) y margay o tigrillo (Leopardus wiedii). También existe una alta diversidad de murciélagos, roedores y musarañas, grupos taxonómicos que generalmente pasan desapercibidos, pero que son esenciales para el funcionamiento de los ecosistemas (Briones-Salas et al., 2015). Seis especies habitan exclusivamente en esta región, tal como la musaraña mayor de orejas pequeñas (Cryptotis magnus) y el ratón arborícola de Ixtlán (Habromys ixtlani). Por lo anterior, la Sierra Norte de Oaxaca es una de las zonas con mayor diversidad de mamíferos silvestres en todo México.

Cambios climáticos del pasado

La diversidad y distribución de las especies no es estática a través del tiempo. Los cambios climáticos que han sido recurrentes a través de los últimos miles y cientos de miles de años han alterado la composición de los ecosistemas, ocasionando que las especies se desplacen a otras regiones, pero también que algunas se extingan o evolucionen. El Cuaternario, periodo que inició hace cerca de 2.6 millones de años y continua hasta nuestros días, se ha caracterizado por la aparición de ciclos climáticos relativamente constantes, los cuales comprenden fases cálidas conocidas como interglaciales y fases extremadamente frías y secas llamados glaciales. Las variaciones climáticas durante este periodo se deben principalmente a cambios en la órbita de la Tierra que afectan la cantidad de luz solar que llega a diferentes partes de nuestro planeta, lo cual provoca cambios en los patrones de circulación de los océanos y la atmósfera y variaciones en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico (Brown y Lomolino, 1998).

Dentro del Cuaternario, una de las fases que fue muy diferente a lo que vemos en la actualidad fue el Último Máximo Glacial (también conocido como la Edad de Hielo). Su pico máximo ocurrió hace cerca de 20,000 años, cuando nuestra especie —el Homo sapiens— estaba en pleno proceso de dispersión a lo largo y ancho de los continentes. Durante esa época, la temperatura y la precipitación en la Tierra disminuyeron considerablemente, por lo que los casquetes polares y los glaciares de las montañas se expandieron y el nivel del mar descendió cerca de 100 m. Este cambio climático transformó el paisaje y la distribución de la biodiversidad en nuestro planeta. Su efecto fue particularmente notable en latitudes cercanas a los polos, pero regiones tropicales como la Sierra Norte de Oaxaca también lo padecieron.

Mamíferos en la edad de hielo

La edad de hielo alteró la composición de las comunidades biológicas, es decir, el conjunto de especies y poblaciones se configuró de una forma diferente a la que observamos hoy (Arroyo-Cabrales et al., 2005). Una manera de conocer la diversidad y distribución de las especies que habitaron en aquel momento es el estudio de los fósiles de animales y plantas. Estos restos o vestigios orgánicos son indicadores paleoambientales, ya que nos permiten reconstruir los paisajes que alguna vez existieron en el planeta. Lamentablemente, el estudio del registro fósil en los trópicos aún presenta enormes retos debido a las dificultades que implica su deposición, preservación, recuperación e identificación. Además, aún son relativamente pocos los sitios que han sido explorados de manera exhaustiva por paleontólogos. Sumado a los fósiles, también existen modelos matemáticos que determinan las preferencias climáticas de las especies y con ello permiten sugerir cuáles pudieron ser sus áreas de distribución en tiempos pasados (Guevara, 2020). Toda esta información, en conjunto, es usada para crear escenarios probables de la distribución de las especies y ecosistemas a través del planeta durante la última glaciación.

Para el caso de la Sierra Norte de Oaxaca, nuestro conocimiento sobre la diversidad de mamíferos en el pasado es muy limitado (Pérez-Crespo et al., 2008). Sin embargo, con base en lo conocido en zonas aledañas y los cambios de la vegetación que ocurrieron en respuesta al cambio climático, es posible imaginarnos parte de la diversidad de mamíferos que seguramente habitó esta región durante la edad de hielo. En los alrededores de la Sierra Norte de Oaxaca, por ejemplo, se ha documentado la presencia de mamíferos como el gliptodonte mexicano (Glyptotherium mexicanum), perezoso terrestre gigante (Eremotherium laurillardi), venado de montaña (Odocoileus lucasi), bisonte gigante (Bison latifrons; ver Figura 2) y, recientemente un perezoso terrestre que sólo se conocía del norte de Centroamérica (Meizonyx salvadorensis; McDonald et al., 2020). Debido a sus necesidades de territorios extensos para sobrevivir y capacidades relativamente altas de dispersarse, es probable que estas especies habitaran a lo largo y ancho del estado, como es el caso de Santiago Chazumba en la Mixteca Baja, en donde se conocen evidencias de las primeras tres especies.

Figura 2. Mamíferos en el norte del estado de Oaxaca durante la Edad de Hielo: venado de montaña (Odocoileus lucasi, A), gliptodonte mexicano (Glyptotherium mexicanum, B), perezoso terrestre gigante (Eremotherium laurillardi, C) y bisonte gigante (Bison latifrons, D).

Por otro lado, las condiciones frías y secas predominantes de la edad de hielo expandieron los bosques de coníferas y de pastizales en gran parte del estado de Oaxaca. El bosque de niebla, por su parte, debió desplazarse hacia las laderas de las montañas que están orientadas hacia el Golfo de México, en donde se concentraron las condiciones con mayor humedad (Guevara, 2020). Este cambio del paisaje debió crear condiciones idóneas para que el mamut colombino (Mammuthus columbi) y los ratones metoritos (Microtus sp.) se expandieran ampliamente en las regiones montañosas, sobre todo en las laderas orientadas hacia el valle de Oaxaca.

La Sierra Norte de Oaxaca también fue parte de un corredor biológico para los mamíferos durante los ciclos glaciales-interglaciales pasados, permitiendo el desplazamiento de especies entre Centro América y el noreste de México (Ceballos et al., 2010). Entre las especies actuales que habrían usado este corredor están el ratón tlacuache (Marmosa mexicana), tlacuache común (Didelphis marsupialis), oso hormiguero (Tamandua mexicana), viejo de monte (Eira barbara), martucha (Potos flavus) y tepezcuintle (Cuniculus paca). Además de ser un corredor biológico, otras especies encontraron en esta región un refugio durante esa última glaciación. Las especies con menor capacidad de dispersión, como roedores y musarañas, debieron refugiarse durante miles de años en pequeños parches de vegetación que mantuvieron condiciones menos hostiles para ellas (ver Figura 3). Los refugios permitieron que algunas poblaciones de mamíferos se aislaran y eventualmente se diferenciaran genéticamente dentro de la Sierra Norte de Oaxaca.

Figura 3. Roedores (E) y musarañas (F) actuales de la Sierra Norte de Oaxaca.

El fin de una era

En la actualidad, la Sierra Norte de Oaxaca es una región reconocida por su extraordinaria riqueza y endemismo de mamíferos silvestres. Sin embargo, las comunidades de mamíferos que la habitan hoy en día son relativamente jóvenes e incluso empobrecidas; en otras palabras, la diversidad de mamíferos durante la edad de hielo fue más rica que la actual (Ceballos et al., 2010). El calentamiento gradual del planeta durante el Holoceno y el incremento de la actividad humana después de la última glaciación propiciaron que algunas especies se extinguieran o se desplazaran a otras regiones, en especial aquellos mamíferos que superaban los 50 kg de peso. La desaparición de esas grandes especies creó oportunidades para que otras expandieran sus distribuciones y se volvieran habitantes dominantes en la actualidad, tal como conejos, marsupiales, roedores y musarañas, que ahora integran ecosistemas nuevos que contribuyen al bienestar humano. Sin embargo, las presiones humanas actuales, tal como la deforestación y el cambio climático, han puesto en riesgo a varias de estas especies, por lo que es necesario actuar para garantizar su sobrevivencia y la nuestra.

Conclusión

Este artículo intenta recordarnos que la diversidad y distribución de las especies no es estática, sino cambiante. Lo que vemos en la actualidad no fue así en el pasado ni será así en el futuro. La importancia de la Sierra Norte de Oaxaca no se debe únicamente al hecho de albergar una extraordinaria riqueza de mamíferos en el presente, sino por su valiosa historia, sirviendo como corredor o refugio para muchas otras especies, algunas de las cuales ya no están más con nosotros. Hoy, nuestra tarea es contribuir con la protección de las especies con las que co-existimos para garantizar un futuro esperanzador en esta región.

Agradecimientos

Al Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (papiit) de la unam por el financiamiento para estudiar la Sierra Norte de Oaxaca (proyecto IA201521).

Referencias

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Recepción: 28/01/2022. Aprobación: 09/12/2022.

Resumen

La semilla del árbol de capomo o de ramón, que se apoda como nuez maya, tiene una capacidad antioxidante comparable con la quinoa y el amaranto, además de contar con otras cualidades nutritivas y aplicaciones que se describen en este artículo. La hoja proveniente del mismo árbol es aun más antioxidante que la semilla, por lo que una taza de té podría aportar importantes beneficios a la salud. En este artículo se describe el origen de este árbol y las propiedades y características de los componentes de la nuez maya, asimismo se proponen nuevos productos de consumo basados en esta semilla mexicana.
Palabras clave: árbol capomo, alimento funcional, antioxidante, nuez maya.

The Maya nut: a functional food proposal in Mexico

Abstract

The seed of the capomo tree or ramon tree, which is nicknamed as the Maya nut, has antioxidant capacity comparable to quinoa and amaranth, in addition to other nutritional qualities and applications described in this article. The leaf from the ramon tree itself is more antioxidant than the seed, so a cup of tea could provide important benefits. This article describes the origin of this tree and the properties and characteristics of the components of the Maya nut, as well as new consumer products based on this Mexican seed.
Keywords: capomo tree, functional food, antioxidant, Maya nut.

Introducción

El árbol de capomo o de ramón (Brosimum alicastrum), pertence a la familia de las moráceas. Su nombre es de origen griego, Brosimos, denota el hecho de ser comestible (figura 1), mientras la palabra ramón proviene de la acción ramonear, que hace referencia al consumo por ganado vacuno y otros animales domésticos. Este árbol también es conocido por distintos nombres como ojite, ojoche, uhi o apomo, entre muchos otros, como se indica en la Biblioteca Digital de la Medicina Tradicional Mexicana (2009). Su producción se localiza en el sureste de México y el norte de Guatemala, gracias a esta ubicación, a su fruto, la semilla de capomo, se le ha denominado “nuez maya”.

Figura 1. Árbol de capomo en una plantación del estado de Yucatán.
Foto cedida por la empresa Ruher Kapomex.

¿Dónde lo encuentras?

El capomo es dominante y se distribuye amplianmente por las selvas de las regiones tropicales húmedas de México. Su localización por el golfo de México abarca desde Tamaulipas y San Luis Potosí hasta Yucatán y Quintana Roo; en el Pacífico va de Sinaloa a Chiapas; y en la cuenca del río Balsas se encuentra en Michoacán y Morelos (figura 2). También se localiza en América Central, las Antillas, y por Sudamérica se ubica hasta el Ecuador y Venezuela.

Figura 2. Distribución del árbol de capomo en México en color verde. Biblioteca Digital de la Medicina Tradicional Mexicana (2009).

El fruto del capomo o nuez maya es carnoso y comestible, su diámetro mide alrededor de 2cm, tiene un color verde amarillento y es anaranjado en su madurez, además se encuentra cubierto por diminutas escamas y contiene una sola semilla de textura lisa, opaca y de color marrón (figura 3). Por sus propiedades, en algunas comunidades ha sustituido al maíz en épocas de escasez; también tiene usos en rituales y prácticas mágicas, y tradicionalmente se le atribuyen cualidades medicinales, primando el tratamiento del asma y la bronquitis en estados de la península de Yucatán (BDMTM, 2009).

Figura 3. Nueces mayas, semilla del árbol del capomo.
Foto cedida por la empresa Ruher Kapomex.

Cabe resaltar el trabajo del Dr. Francisco Alfonso Larqué Saavedra, por sus contribuciones científicas y su esfuerzo en potenciar el uso de la semilla; siendo de especial relevancia el uso de Brosimum alicastrum dentro de la iniciativa de incorporar al sector forestal en la cruzada nacional contra el hambre en 2012-2018, así como el impulso a la investigación en el área.

Estudios recientes de Quintero-Hilario, et al. (2019) han demostrado que la semilla de capomo tiene un alto contenido de fibra, proteínas y un bajo contenido de grasa. En la Tabla 1 se muestra una comparación con otras semillas como el maíz, el amaranto y la chía (producidas en México); así como la quinoa (actualmente un producto de importación). Como puede observarse, la nuez maya hace frente a todas, ya que Munekata, et al., (2020) descubrieron que el capomo tiene un alto contenido nutritivo, y en algunos casos mejor que las otras semillas. Por ejemplo, en cuanto a sus propiedades funcionales, se han encontrado las siguientes aplicaciones potenciales para la nuez maya:

• Las globulinas, moléculas que no se mezclan en el agua, presentan mayor solubilidad, capacidad emulsionante y de absorción de aceite; es decir, se puede usar para elaborar nuevos aderezos que mezclen agua y aceite.
• Las albúminas, moléculas que le dan consistencia a la clara del huevo, presentes en frutos, tienen mejor capacidad de absorción de agua y también poseen una mejor capacidad espumante para la elaboración de productos, como pueden ser los panes esponjosos.
• La semilla de capomo contiene una cantidad relativamente alta de fenoles y flavonoides, que son compuestos con una alta capacidad antioxidante para mantenerte sin arrugas. Por lo tanto, las harinas de la semilla de capomo pueden utilizarse como ingredientes en la elaboración de productos funcionales, como las galletas.
• De manera relevante, la hoja del árbol es también aprovechable, debido a que su capacidad antioxidante es superior a la de la semilla, bien podría ser una alternativa importante de infusión.

Tabla 1. Tabla comparativa con diversas semillas

Uso de la semilla como fuente nutricional

Los mayas utilizaron al capomo de forma muy variada. Por ejemplo, hervían los frutos y obtenían una textura similar a las papas, secaban las semillas, elaboraban harinas para mezclarlas con maíz o miel, para hacer tortillas y postres. Pero, desafortunadamente, las propiedades de la semilla de capomo son desconocidas en muchos lugares de México y en los municipios del estado de Yucatán es empleada únicamente como alimento para animales.

No obstante, el capomo si es utilizado en otras partes del país como elemento de la dieta humana. Tal es el caso de zonas de la huasteca, Sinaloa, Jalisco, Nayarit y Chiapas, donde al igual que los antiguos mayas, las semillas son consumidas solas o preparadas como tortillas, tostadas, e incluso molidas como sustituto de café.

En esta misma vertiente, ya existe la comercialización de productos con base en la semilla (figura 4); es el caso de una cerveza, de un sustituto de café y una línea de harinas. Sin embargo, muchos más productos comerciales pueden ser desarrollados a partir de esta fuente alimentaria mexicana.

Figura 4. Productos comerciales de sustitutos de café (arriba), y cerveza (abajo) hecha con nuez maya.
Foto cedida por la empresa Ruher Kapomex.

Un alimento funcional es cualquier alimento en forma natural o procesada, que además de sus componentes nutritivos contienen componentes adicionales que favorecen a la salud tal y como indicaron Lolito y Frei (2006). En este sentido la nuez maya, así como el uso de la hoja del árbol de capomo (figura 1), pueden aportar valor nutricional y funcional a nuestra alimentación. Por ejemplo, los granos provenientes de la semilla maya también pueden ayudar a la digestión, esto gracias a su alto contenido de fibra dietaría, tal y como se indica en la Tabla 1.

Conclusión

México tiene esta fuente de semillas de alto valor nutricional que se está comenzando a aprovechar a través de diversos productos alimenticios. Es un legado maya, que además de ser un alimento funcional tiene un impacto positivo en las comunidades rurales, a través de alianzas gana-gana con el sector productivo de la región sureste del país.

Se destaca la capacidad antioxidante de la nuez maya, similar al amaranto y muy superior a la quinoa, aunque menor que la chía (mexicana también), todo ello descrito en el Food and Agriculture Organization de las Naciones Unidas en 2013. Asimismo, son relevantes las cualidades de las hojas de capomo, que poseen una actividad antioxidante similar a la chía, aprovechables a través de té u otras bebidas.

Una última pregunta por responder: ¿por qué es relevante la capacidad antioxidante de la nuez maya? La respuesta es sencilla: porqué enfermedades crónicas como el cáncer o la diabetes, se relacionan con un desbalance de ciertos metabolitos en nuestro cuerpo, y justo al tipo de moléculas que puede ayudar a retornar el equilibrio en cada célula se les conoce como antioxidantes.

Agradecimientos

Se agradece a la empresa Ruher Kapomex por la oportunidad de trabajar en este proyecto.

Referencias

• Biblioteca Digital de la Medicina Tradicional Mexicana de la Universidad Nacional Autónoma de México (BDMTM), (2009). Atlas de las plantas de la medicina tradicional mexicana. http://www.medicinatradicionalmexicana.unam.mx/apmtm/termino.php?l=3&t=brosimum-alicastrum.
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• Munekata, P. E. S., Gullón, B., Pateiro M., Tomasevic, I., Domínguez, R., y Lorenzo, J. M. (2020). Natural antioxidants from seeds and their application in meat products. Antioxidants, 9(9), 815. https://doi.org/10.3390/antiox9090815.
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• Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (2013). Año internacional de la quinua. https://www.fao.org/quinoa-2013/what-is-quinoa/nutritional-value/es/?no_mobile=1.

Recepción: 20/04/2022. Aprobación: 23/11/2022.

Resumen

Históricamente, el tizón de fuego (causado por la bacteria Erwinia amylovora) ha sido un referente en el estudio de enfermedades de plantas. La comprensión y el estudio de esta enfermedad han beneficiado a la fitopatología, además, ha propiciado avances importantes en otras ciencias como la biotecnología y la microbiología. Hoy en día, la creciente resistencia de esta bacteria frente a los antibióticos utilizados para su control alerta sobre el uso indebido de estos fármacos en la agricultura y expone el riesgo potencial que esto significa para la salud humana.
Palabras clave: tizón de fuego, resistencia, antibióticos, fitopatología.

Erwinia amylovora: story of a superbug

Abstract

Historically, fire blight (caused by the bacterium Erwinia amylovora) has been a benchmark in the study of plant diseases. The understanding and management of this disease has benefited phytopathology but has also led to important advances in other sciences such as biotechnology and microbiology. Today, the growing resistance of this bacterium to the antibiotics used to control it warns about the improper use of these drugs in agriculture and exposes the potential risk that this means for human health.
Keywords: fire blight, resistance, antibiotics, phytopathology.

Introducción

Los recientes eventos epidemiológicos reafirman la vulnerabilidad humana frente a los microbios que —sin exagerar— gobiernan el planeta y marcan el compás de la vida. Aunque contamos con aliados fundamentales en el mundo de lo microscópico, hemos librado batallas históricas contra estos seres, incluso cuando nuestro alimento se ve amenazado.

Con el desarrollo de la agricultura hace al menos 10,000 años, comenzó también la guerra contra las enfermedades que destruían las cosechas. En un principio estos eventos eran atribuidos a castigos divinos o maleficios enemigos. Sin embargo, entre los siglos xviii y xix se descubrió que al igual que en humanos, las plantas también se enferman a causa de hongos, virus y bacterias.

Las epidemias vegetales no son cosa menor. Desde el tizón tardío de la papa, responsable de la gran hambruna irlandesa, hasta los múltiples envenenamientos por el cornezuelo del centeno, existe una larga lista de enfermedades causadas en su mayoría por hongos. Pero, ¿qué hay de las bacterias? Aunque con un protagonismo menor, las bacterias son cruciales para la fitopatología (disciplina que estudia, diagnostica y trata las enfermedades de las plantas) y esta ciencia no podría explicarse sin hablar del tizón de fuego causado por Erwinia amylovora (figura 1).

Así pues, haremos un recorrido por la historia del tizón de fuego. Profundizaremos en los hallazgos científicos alrededor de esta temible y particularmente devastadora enfermedad, y abundaremos en los aportes que su estudio ha hecho para con la fitopatología. Por último, discutiremos el uso de antibióticos para su control y los problemas en torno a estos fármacos en la agricultura.

Figura 1. Colonias bacterianas de E. amylovora sobre medio, Miller & Schroth.
Obtenido del archivo fotográfico de ciad Unidad Cuauhtémoc.

El ántrax de los árboles frutales

El reporte más antiguo del tizón de fuego existe desde la última década del siglo xviii y, al puro estilo de los clichés hollywoodenses, tuvo lugar en Nueva York. Todo el valle del río Hudson son tierras fértiles con grandes huertos frutales como perales, manzanos, membrillos y otros frutos botánicamente relacionados. Pues bien, son este grupo de plantas los principales afectados por el tizón de fuego. Los productores y comerciantes de la época hablaban de un padecimiento que se extendía rápidamente por todo el valle (Baker, 1971). Las ramas completas de árboles se marchitaban y adquirían un color café cenizo, como si las hubiese atravesado una flama, de ahí el nombre que recibió la enfermedad. Un árbol aparentemente sano mostraba síntomas en pocas horas, y al cabo de los días, brotaba savia obscura y de olor fétido. Con frecuencia el árbol moría en unos meses (figura 2).

Los científicos no tardaron en buscar respuesta a tan aterrador padecimiento y plantearon varias hipótesis: se culpó a rayos, heladas tardías, granizo, insectos e incluso hongos microscópicos (Baker, 1971) —tenemos que aceptar que se acercaron bastante. Tras décadas de suposiciones, Thomas J. Burrill, botánico estadounidense, observó numerosas bacterias en el tejido enfermo —había descubierto al culpable. Publicó sus resultados en 1882 y nombró a la bacteria Micrococcus amylovorus (van der Zwet y Keil, 1979). Fue un hallazgo trascendental ya que por primera vez se comprobó que las bacterias también podían desarrollar enfermedades en las plantas, similar a lo que ocurre en animales, incluso lo comparó con el bacilo responsable del ántrax. Este descubrimiento cimentó las bases de la fitobacteriología (Griffith et al., 2003b).

En 1890, el fitopatólogo Merton B. Waite descubrió que el principal sitio de infección son las flores. Además, comprobó que la bacteria —para entonces renombrada Bacillus amylovorus—, puede ser dispersada por las abejas durante la polinización. Por primera vez se comprobó que un insecto podía ser vehículo de transmisión de una enfermedad bacteriana (Griffith et al., 2003a). Waite recomendó retirar las ramas dañadas, como técnica de control, podando por debajo de la zona afectada y quemando el material fuera del huerto. A esto se le conoce como poda de saneamiento y es una práctica muy común hoy en día para tratar enfermedades en árboles (figura 3). Ya en el siglo xx, el fitobacteriólogo Erwin F. Smith publicó uno de los estudios más completos sobre B. amylovorus. Tiempo después, la bacteria fue nuevamente renombrada, esta vez con el nombre Erwinia amylovora, en honor al mencionado científico (Baker, 1971).

Figura 3. Daños severos y poda de saneamiento. Izquierda: cuando las condiciones ambientales son adecuadas la enfermedad progresa rápidamente. Obtenido del archivo fotográfico de CIAD Unidad Cuauhtémoc. Derecha: cuando la infección es severa, la poda de saneamiento es la única alternativa.
Adaptado de Fire blight [Fotografía], Flickr.

Una enfermedad cosmopolita

Las eficientes y modernas vías de comunicación facilitan la propagación de enfermedades —con la reciente pandemia seguro te diste cuenta— y el tizón de fuego es una de ellas. La enfermedad se extendió hasta la costa oeste de Estados Unidos y de ahí no tardó en cruzar las fronteras, llegando a Canadá, México y el continente europeo. Actualmente se encuentra en al menos cincuenta países, todos ellos, excepto Nueva Zelanda, situados en el hemisferio norte (van der Zwet et al., 2016). Existen muchas hipótesis que buscan explicar la razón por la cual la enfermedad no tiene presencia en el hemisferio sur, pero esa es “harina de otro costal”.

A lo largo de su historia, el tizón de fuego ha causado pérdidas económicas incalculables. Por ejemplo, en California, EUA, entre 1905 y 1908 la enfermedad destruyó dos tercios de los perales plantados —algo así como 250 mil árboles. Sin embargo, la fama como “la enfermedad vegetal más temida del mundo” la ganó en 1997, en la región de Emilia-Romaña, Italia, pues acabó con más de 500 mil árboles frutales (Vanneste, 2000). Actualmente, Estados Unidos reporta daños hasta por 100 millones de dólares anuales, mientras que Canadá lo hace por unos 10 millones, cifra similar a lo reportado por Nueva Zelanda (Norelli et al., 2003). En México la enfermedad tiene presencia en varios estados del país, pero es especialmente estudiada en Chihuahua, región que lidera la producción de manzana nacional. Sin embargo, las pérdidas económicas son difíciles de estimar pues las infecciones son variables e intermitentes.

La esperanza de mitad de siglo

Dicen que “con la enfermedad viene el remedio” y con el tizón de fuego no ha sido la excepción —o al menos hemos hecho el intento. Tras la implementación de la poda sanitaria, se adoptaron otras técnicas para reducir la enfermedad en el huerto, como evitar la humedad excesiva y propiciar el paso del aire y la luz solar: se podría decir que el sol fue el primer bactericida. A finales del siglo XIX se descubrió que el cobre funcionaba para tratar ciertas enfermedades en plantas, principalmente aquellas ocasionadas por hongos. Rápidamente fue probado contra el tizón de fuego y por casi 50 años fue el ingrediente principal de decenas de tratamientos contra la enfermedad, aunque su efectividad resulta cuestionable (Psallidas y Tsiantos, 2000). Hoy en día, la evidencia indica que el cobre puede acumularse en el suelo y agua, aumentando el riesgo de toxicidad (Lamichhane et al., 2018). Tras el desarrollo de los antibióticos en 1928, la guerra contra las bacterias tomó otro ritmo y la balanza parecía inclinarse a nuestro favor. De esta forma, en 1952 se utilizó por primera vez la estreptomicina en la agricultura —y sí, como seguramente lo sospechas fue contra el tizón de fuego. Este antibiótico fue recibido como un milagro ya que, a diferencia del cobre, era muy efectivo a dosis pequeñas y no tenía problemas de toxicidad. Hoy en día, la estreptomicina es el antibiótico de uso agrícola más utilizado en el mundo (Stockwell y Duffy, 2012).

Se derrumba el milagro

Mientras la estreptomicina mantenía los cultivos sanos, también era el fármaco de primera línea para combatir a Mycobacterium tuberculosis en humanos. El milagro duró muy poco, rápidamente se registraron mutaciones en laboratorios y hospitales y la estreptomicina perdió efectividad contra la tuberculosis (Honoré y Cole, 1994). Esto fue un mal augurio para los agricultores y solo 10 años después de autorizado su uso, el tizón de fuego mostró resistencia a la estreptomicina. Hoy en día, la resistencia es reportada en todos los países que presentan la enfermedad, lo que frecuentemente obliga a productores a aumentar la dosis de tratamiento, empeorando la situación (Jones y Schnabel, 2000).

Para atenuar este problema se exploraron otras opciones para controlar el tizón de fuego. Fue así como en los años 70s se aprobó el uso agrícola de la oxitetraciclina. Este antibiótico es utilizado en mezcla con la estreptomicina, pues así es más efectivo y retrasa la aparición de resistencia (Stockwell y Duffy, 2012). Sin embargo, se trata de un fármaco muy utilizado contra un gran número de enfermedades bacterianas en la medicina humana y veterinaria. Por ahora no se ha reportado resistencia en E. amylovora para este antibiótico, pero su uso se está extendiendo y puede ser cuestión de tiempo para que aparezca.

De igual forma, México aprueba el uso agrícola de la gentamicina. Este antibiótico es muy efectivo contra el tizón de fuego, pero también es una potente arma contra enfermedades bacterianas de importancia clínica (Norelli et al., 2003). Y aunque la resistencia a este fármaco se considera “poco probable”, el fantasma de la tuberculosis sigue presente. Actualmente se está evaluando la efectividad de otros antibióticos con potencial agrícola en México como kasugamicina y ácido oxolínico —por mencionar dos de la lista—, y tal como sucedió en los cincuentas con la estreptomicina, E. amylovora parece ser la “prueba de fuego”.

Entrenando superbacterias

El antibiótico adecuado, así como la dosis y duración del tratamiento, son establecidos con base en largas investigaciones científicas para asegurar así su efectividad. Si el tratamiento es modificado o no se usa por el tiempo adecuado, es posible que la infección no termine y las bacterias que lograron sobrevivir serán más resistentes —imagina que son sobrevivientes a un duro entrenamiento, el cual podrán superar fácilmente la próxima ocasión, entenderás entonces porque el médico insiste en la importancia de terminar el tratamiento aun cuando ya te sientas mejor, o más importante, no automedicarse.

Los huertos albergan una variedad increíble de microorganismos. Además de patógenos, encontramos bacterias benéficas para las plantas, pero también otras especies potencialmente peligrosas para animales, incluyendo el ser humano. El rociar los cultivos con antibióticos afecta la microbiota bacteriana en conjunto y de forma poco selectiva. El uso inadecuado de estos fármacos propicia la resistencia a través de mutaciones en su adn (McManus et al., 2002). Por si esto fuera poco, de la misma forma que un profesor transfiere conocimientos al alumno, la resistencia puede ser transferida a otras bacterias que interactúan en el huerto, incluso de otras especies (figura 4). Ya sea natural o adquirida, un grupo de bacterias puede desarrollar resistencia a varios antibióticos simultáneamente (Barrantes-Jiménez et al., 2022). A estos microorganismos se les conoce como superbacterias (Mejía et al., 2019) y son un “dolor de cabeza” para médicos, veterinarios y agricultores, pues combatirlas resulta cada vez más difícil y costoso.

Es claro que el uso de antibióticos en la agricultura es menor en variedad y cantidad a lo utilizado en medicina humana o veterinaria, sin embargo, esto no deja de ser preocupante. La aplicación de estos productos suele realizarse en superficies muy extensas sin confinamiento o delimitación alguna. A diferencia de los antibióticos clínicos, los de uso agrícola no requieren asesoría especializada para su prescripción, es decir, son de venta libre. Por si fuera poco, la calidad y pureza de estos fármacos es sustancialmente menor a los de uso humano y su dosificación a menudo se realiza “al tanteo”, —no es descabellado pensar en huertos y parcelas como campos de entrenamiento para superbacterias ¿verdad?

Cambio de paradigma

Pasemos del escenario apocalíptico a las propuestas y soluciones. La realidad es que los antibióticos son una herramienta muy útil para la agricultura y bajo los esquemas de producción actual son imprescindibles. Entonces ¿qué hacer? Un número considerable de científicos en el mundo desarrollan nuevas técnicas para el manejo de las enfermedades bacterianas en los huertos, una vez más, utilizando al tizón de fuego como conejillo de indias.

Algunos proyectos buscan utilizar otros microorganismos que cohabitan con E. amylovora en el huerto, compiten contra ella por nutrientes e incluso algunos producen antibióticos naturales para defenderse. La diferencia es que estos enemigos naturales no representan un riesgo para las plantas o animales. Esta estrategia se conoce como control biológico (Dagher et al., 2020). Otra estrategia utiliza extractos de plantas aromáticas o aceites esenciales capaces de inhibir al tizón de fuego sin afectar el medio ambiente (Romo-Chacón et al., 2011). Así mismo, mediante mejoramiento genético se han desarrollado árboles frutales capaces de resistir la enfermedad y actualmente se encuentran en fase experimental (Norelli y Aldwinckle, 2000).

Estas propuestas buscan que la producción de alimentos dependa cada vez menos de los antibióticos sintéticos. Pero no es suficiente, es necesario endurecer las regulaciones en torno a estos fármacos y exigir que su uso vaya de la mano con asesoría especializada. Estas acciones en conjunto contribuirán a retrasar la aparición de superbacterias.

Conclusiones

Doscientos años han transcurrido desde aquel primer avistamiento en Nueva York, y la solución —como espejismo en el desierto—, parece estar más lejos de lo advertido. Sin embargo, recordemos que lo importante de llegar a la meta es lo aprendido en el camino. Las bacterias como patógenos de plantas, los insectos como portadores de enfermedades bacterianas y el desarrollo de antibióticos agrícolas, son hallazgos obtenidos a través del extenso camino recorrido para entender y manejar el tizón de fuego. Además, las interrogantes en torno a esta enfermedad fundamentan futuras investigaciones en la fitopatología, pero también en otras áreas de la ciencia, pues como ya se ha expuesto, estos temas no son ajenos de la medicina humana y deben estudiarse de forma integral. El uso inadecuado de los antibióticos vulnera nuestra principal defensa frente a una potencial epidemia. La disponibilidad de alimentos y la salud pública dependen en buena medida de la efectividad de estos fármacos.

Referencias

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Material audiovisual sugerido

• FAO. (2017). La agricultura en la prevención del desarrollo de la resistencia a los antimicrobianos. #UNFAO. Disponible en https://www.youtube.com/watch?v=SfS3HRR3G1s.

Recepción: 27/04/2022. Aprobación: 19/11/2022.

Resumen

La inteligencia artificial (ia) ha dejado de ser ciencia ficción, y ya es algo común en nuestra vida. Las distintas áreas de la ia imitan lo que ocurre en la naturaleza, un ejemplo es el comportamiento de diferentes animales gregarios, como las abejas o los lobos. El comportamiento de estas estructuras sociales se emplea para buscar soluciones a diferentes problemas. En este artículo se presentan algunos ejemplos de algoritmos que imitan el comportamiento de distintos animales y su aplicación en la vida diaria, en el marco de una disciplina que se conoce como inteligencia de enjambre.
Palabras clave: inteligencia artificial, inteligencia de enjambre, optimización, animales gregarios, algoritmos.

Swarm intelligence: from natural to artificial systems

Abstract

Artificial intelligence (ai) is no longer science fiction and is already commonplace in our lives. The different areas of the aiimitate what happens in nature, an example is the behavior of different gregarious animals, such as bees or wolves. The behavior of these social structures is used to find solutions to different problems. This article presents some examples of algorithms that imitate the behavior of different animals and their application in daily life, within the framework of a discipline known as swarm intelligence.
Keywords: artificial intelligence, swarm intelligence, optimization, gregarious animals, algorithms.

Introducción

Podemos definir a la inteligencia artificial (ia) como una metáfora del mundo natural. Existen deferentes situaciones en la naturaleza que son copiadas dentro de un algoritmo para resolver diferentes problemas de la vida diaria. A estos algoritmos que imitan alguna cosa del mundo natural se les conoce como algoritmos bio-inspirados. Por ejemplo, se puede imitar la manera en que un águila mueve las piernas y garras para tomar una presa, y plasmar esos movimientos en un brazo robótico que es llevado por un dron, con el fin de recoger alguna carga (Han et al., 2009). Otro ejemplo son las redes neuronales que imitan la conexión entre neuronas de un cerebro, con esto se pueden reconocer objetos en imágenes o palabras dentro de audios (Kim et al., 2018).

Vamos a definir como algoritmos bio-miméticos a aquellos que resuelven problemas basándose en la imitación de algo en la naturaleza, pero de una forma más abstracta, no una copia fiel de algún comportamiento o movimiento. En este caso podemos hablar de los sistemas inmunes artificiales, que hacen una analogía entre los anticuerpos que combaten alguna infección, para luego llevar esa idea a la detección de fallas en algún proceso industrial. Así, una señal de falla, será algo similar a una enfermedad, y ahora, viendo la analogía descrita, se puede ver qué anticuerpos combaten la enfermedad, lo que nos llevaría a saber qué tipo de falla hubo en la industria y hasta su causa (Bayar et al., 2015). Un método reciente es el de autómatas celulares, los cuales emplean operaciones matemáticas para imitar un órgano biológico, y la información que entra es tratada como si fueran nutrientes, toxinas y hasta bacterias, al ir pasando a través de diferentes operadores matemáticos es como si el nutriente entrara al órgano (Delvalle-Arroyo et al., 2015).

Hay otro algoritmo bio-mimético llamado algoritmo genético (Yang, 2021), el cual forma parte de los algoritmos evolutivos. Estos algoritmos son una metáfora de la evolución de las especies. Permíteme explicarte este caso para que entiendas mejor qué es la inteligencia de enjambre. Algunas cosas sonarán extrañas, pero espero que me tengas paciencia, te explicaré: tienes algún problema a resolver, por ejemplo, qué pasos seguir para elaborar algún producto, o quizá con qué clientes comenzar a tratar para hacer crecer un negocio. También podría ser que buscas la mejor combinación de materiales para reducir gastos y mejorar la calidad. Todos estos problemas tienen diferentes condiciones o variables que debemos evaluar, y cada posible solución nos dará un diferente resultado, pero ¿Cuál será la mejor opción?

Ahora, piensa en las diferentes posibles soluciones, cada una es una combinación de circunstancias o materiales, a estas soluciones les llamaremos individuos. Al evaluar cada solución propuesta —a cada individuo— seleccionamos las que mejor resultado nos dieron y nos olvidamos de las que no cumplen nuestras expectativas, es decir, los individuos mejor capacitados sobreviven y los de más se extinguen. Continuemos, de entre las mejores soluciones hacemos una mezcla, sería como el tener una descendencia de los individuos mejor capacitados, a estas nuevas soluciones se les hacen algunos cambios fortuitos, lo podemos ver como algunas mutaciones en los genes de la siguiente generación. Volvemos a evaluar a esta nueva generación, descartamos los individuos más débiles y llegamos a otra generación, y luego a otra, hasta que alguno de los descendientes cumple con nuestro objetivo, esta será la mejor solución encontrada.

Figura 1. Estorninos en Gretna.
Crédito: fotografía tomada por Walter Baxter. Licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Gereric.

¿Te sonó extravagante? Pues no es todo, déjame comentarte que a veces se ejecuta el algoritmo genético en diferentes computadoras, y después de varias generaciones, se intercambian individuos entre ellas, para simular la migración de especies, esto para enriquecer la población y evitar que el algoritmo se estanque en una solución que puede no ser la mejor.

Pero entonces, ¿qué es la inteligencia de enjambre? Te adelanto que este tipo de algoritmos son similares a los algoritmos genéticos descritos, y cada vez hay nuevas propuestas y combinaciones entre ellos. A través de este texto te presentaré algunas técnicas de optimización para que puedas comprender cómo las soluciones de la naturaleza son usadas para resolver varios de nuestros problemas como sociedad. Eso sí, esto es a penas es un vistazo de las cosas que hace la gente de computación en el área de la inteligencia artificial.

Los primeros pasos

Uno de los primeros algoritmos que imitaron el comportamiento gregario de los animales es el que se conoce como optimización por enjambre de partículas. Su objetivo es imitar cómo una parvada de aves buscan alimento (Figura 1). La ubicación espacial de cada ave es una posible solución a algún problema y la cantidad de comida que encuentra cada una es la evaluación de la posible solución propuesta (Obando-Paredes, 2017). Generalmente, se utiliza una función que mide la diferencia entre lo que buscamos y lo que aporta la solución, a esta diferencia la llamaremos error. La función que evalúa el error suele ser llamada función de costo o función objetivo, de este modo, si buscamos el mayor valor (maximización) o el más pequeño en el caso de medir el error (minimización), estamos hablando de optimización, te prometo que ya no usaré más tecnicismos oscuros.

Existen diversos métodos de optimización basados en la inteligencia de enjambres, uno muy usado es el algoritmo de murciélagos, donde la frecuencia del sonar que usa cada individuo le ayuda a buscar su comida, así los murciélagos que emplean la mejor frecuencia son los que se alimentan (Chaudhary y Banati, 2019), un método muy parecido es el algoritmo de delfines (Wu et al., 2016). Otro caso es el de un cardumen de peces, en este método, cada posible solución es un pez, su tamaño depende de lo bien que se haya evaluado la solución que representa cada uno, después los peces grandes se comen a los pequeños —las peores soluciones. Pero ocurre un problema, si la población de peces se reduce, las posibilidades de encontrar la mejor solución también baja, por lo que los peces sobrevivientes se reproducen dando lugar a nuevas soluciones a nuestro problema (Lobato y Steffen, 2014).

En la Tabla 1 mostrada por Valdez et al. (2014) se señalan los algoritmos bio-inspirados usados en optimización desde 1965 hasta el año 2012, y explica que la adaptación de los parámetros usados en los algoritmos es importante para mejorar su desempeño y agilizar la obtención de la solución.

Modificaciones en los algoritmos de enjambre

Espero esté quedando claro cómo funcionan estos algoritmos. A veces muchas soluciones parecen ser buenas, pero no es suficiente, la idea es buscar la mejor, la óptima. Al efecto de estancamiento con una solución que quizá no sea la mejor, se le conoce como quedar atrapados en un mínimo local, algo que también ocurre con algoritmos de optimización que emplean matemáticas para buscar una solución, estos métodos emplean el gradiente descendente, como si uno intentara bajar por una colina. Esta es una razón del porqué se busca alguna alteración en la población para evitar quedarnos en un mínimo local, como por ejemplo la mutación en los algoritmos genéticos o que los peces grandes tengan hijos (Figura 2).

Figura 2. Siganus lineatus, cardumen en la isla Lizard, Australia.
Crédito: Fotografía tomada por Andy A. Lewis. Licencia Creative Commons Atribución 3.0.

En Turquía se han logrado grandes avances en el área de la inteligencia de enjambre, una de estas propuestas es la Colonia Artificial de Abejas (abc, por sus siglas en inglés) (Kumar et al., 2016). Este proyecto funciona de la siguiente manera:

1. Hay una población inicial de abejas, donde la ubicación de cada una es una posible solución.
2. Se evalúa cada solución, la cual representa la cantidad de néctar en esa localidad.
3. Las abejas regresan a la colmena, y en una danza indican a la colonia lo que encontraron.
4. La colmena se desplaza a donde se encontró más alimento, y de manera aleatoria, algunas abejas investigan en las cercanías de la nueva ubicación de la colonia.
5. Algunas abejas exploradoras salen a buscar nuevas fuentes de alimento lejos de la colmena, y su vuelo en forma de ocho, indica lo que han encontrado (Ver Figura 3).
6. Esta acción se realiza varias veces, desplazando a toda la colonia cada vez que una mejor ubicación es obtenida, si después de cierto número de iteraciones no se encuentra una mejor solución, el algoritmo se detiene.

Figura 3. Ejemplo de la colonia artificial de abejas.
Crédito: fotografía de Emmanuel Boutet.

Pero el truco no termina ahí, a los algoritmos existentes se les han efectuado modificaciones, por ejemplo, a la colonia artificial se le agregó la condición de que a las abejas les fuera más fácil desplazarse a terrenos más bajos —donde el error es menor— que hacia arriba.

Otro algoritmo interesante, y que suele dar mejores resultados que la colonia artificial de abejas, es el algoritmo de luciérnagas (Yang, 2021), esto si la población de luciérnagas es adecuada, de lo contrario se cae en mínimos locales. Este algoritmo ubica de manera aleatoria a las luciérnagas, las cuales son atraídas por el brillo de las demás, este brillo depende de que tan buena sea la solución donde se encuentra la luciérnaga, y además, mientras más lejana está una luciérnaga, las demás la verán menos brillante. Como te has dado cuenta, se imita alguna característica del comportamiento de animales sociales.

Una crítica interesante es la que detonó el mal llamado algoritmo del ave del paraíso1 (Moosavi y Bardsiri, 2017). La crítica comienza diciendo que alguien ve algo en el mundo natural y de la nada, se inventa un método de optimización basado en enjambres, como en el método de caza de una manada de lobos grises (Ileri et al., 2020). Ante esta situación, proponen un nuevo algoritmo que resolverá más rápido y de mejor modo algunos casos de estudio, por ejemplo la función Rastrigin, la cual asemeja a los cartones donde se vende el huevo.

Figura 4. Función Rastrigin usada para evaluar los algoritmos de optimización, creada por el autor usando el software libre Octave.

En el trabajo de Moosavi y Bardsiri (2017) se describe el comportamiento de las aves macho que hacen nidos para atraer a las hembras. En esta conducta, la ubicación del nido es importante, y es que mientras el macho va por material para su nido, otra ave, que resulta ser su vecino, daña el nidal. El método que mencionan es llamado satin bowerbird optimization y resulta mejor para los ejemplos que muestran que otros algoritmos usan la inteligencia de enjambre.

Figura 5. Satin bowerbird en Lamington National Park, Queensland, Australia.
Crédito: fotografía tomada por Joseph C. Boone.

Actualmente, hay nuevas técnicas de inteligencia de enjambres, es fácil ubicarlas, ya que la mayoría se titulan “Un nuevo método de optimización basado en tal o cual especie animal…”. También han surgido algoritmos como el del pez eléctrico (Yilmaz y Sen, 2020) o el cardumen de atunes (Xie et al., 2021).

Pero existe otro algoritmo de inteligencia de enjambres que suele usarse en el problema del agente de ventas. La cuestión a resolver es el de un vendedor que debe visitar diferentes ciudades, donde el peaje para ir de una ciudad en particular a otra es distinto, así como los tiempos de transporte, y lo que venderá en cada ciudad. El vendedor debe elegir en qué orden visitará las ciudades para gastar lo menos, vender lo más, y emplear el menor tiempo posible.

Para resolver este problema se tiene la optimización por colonia de hormigas, en la analogía, las hormigas avanzan por los mejores trayectos, y van dejando feromonas tras de sí, mientras que por los caminos menos transitados las feromonas se van volatilizando hasta desaparecer, finalmente las hormigas muestran el mejor trayecto para el vendedor (Mandloi y Bhatia, 2017).

Conclusión

La inteligencia artificial imita lo que ocurre en el mundo natural, en el caso de la inteligencia de enjambres, se programa el comportamiento de animales gregarios para así resolver algún problema, generalmente son casos de optimización, donde se busca reducir algún criterio empleado para describir lo malo que es una solución. En la práctica, al comparar estos diferentes algoritmos se cuentan las iteraciones necesarias para llegar a una solución, el tiempo que tarda en obtenerse, la respuesta deseada y la variación entre los resultados, ya que al comenzar con una ubicación aleatoria de los individuos, los resultados obtenidos y las iteraciones necesarias no son siempre iguales usando un mismo algoritmo. También es importante el hacer modificaciones cuando el algoritmo muestra pocas variaciones alrededor de alguna posible solución para así evitar caer en un mínimo local. Incluso tú puedes notar algún comportamiento característico de alguna especie y proponer tu propio algoritmo con inteligencia de enjambres.

Referencias

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• Chaudhary, R. y Banati, H. (2019). Swarm bat algorithm with improved search (SBAIS). Soft Computing, 23, 11461-11491. https://doi.org/10.1007/s00500-018-03688-4
• Delvalle-Arroyo, P.E., Fory-Aguirre, C.A. y Serna-Ramírez, J.M. (2015). Cellular automata: Control improvements and immunity in the simulation of propagative phenomena. Sistemas y Telemática, 13(35), 9-22.
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• Mandloi, M. y Bhatia, V. (2017). Capítulo 12 – Symbol detection in multiple antenna wireless system via ant colony optimization. Handbook of Neural Computation, Academic Press, 225-237. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811318-9.00012-0
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Recepción: 15/09/2022. Aceptación: 01/02/2023.