domingo, 20 de septiembre de 2009

Composición de los seres vivos - Bioelementos

Los organismos somos auténticas "industrias químicas". Esta frase tiene un significado más profundo de lo que, en principio, podría parecer; si pensamos en una fábrica y la analizamos, veremos lo que se esconde detrás: una fábrica está hecha de ciertos materiales y de máquinas, las piezas que realizan sus productos. Además, la fábrica realiza algún tipo de proceso, en general transformando ciertas sustancias (recursos) en otras (productos) para lo cual necesita algún tipo de energía. Esto es también así en el caso de las células (y, por extensión, de los seres vivos), pero aquí aparece la peculiaridad de nuestra naturaleza como fábricas químicas.

Los seres vivos somos capaces de construir nuestras propias estructuras a partir de las sustancias químicas que encontramos en nuestro entorno. Precisamente por eso, es sorprendente observar la gran diferencia que existe entre la composición química de cualquier organismo y la materia inorgánica que nos rodea de la que, al fin y al cabo, hemos tomado los materiales para autoensamblarnos.

Esa diferencia es absolutamente evidente si observamos las sustancias químicas que nos componen, pero en cierto sentido esto es esperable, si tenemos en cuenta que somos máquinas químicas, sistemas que tenemos como modo de funcionamiento la modificación de ciertas sustancias químicas para dar lugar a otras. La diferencia es algo más extraña si en lo que nos fijamos es en los elementos químicos que forman parte de esas sustancias: los organismos no poseemos capacidad para modificar átomos, solo para utilizar unos u otros según nuestras necesidades.

Establezcamos una comparación con las rocas, otro de los elementos naturales que forman parte de nuestro planeta: la composición química de las rocas siempre es una muestra representativa del ambiente química en que se formaron, además de ser tremendamente variable entre los distintos tipos de rocas. Por el contrario, la composición química de los seres vivos es prácticamente igual en todos ellos, y nunca guarda relación con el entorno químico del que forman parte. Esta situación plantea dos preguntas: ¿qué diferencias existen en la composición química de los organismos y la de su entorno? ¿A qué se deben estas diferencias?

En la naturaleza podemos encontrar 92 elementos químicos diferentes. Aunque no es una ley matemática, se puede decir que, aproximadamente, su abundancia es inversamente proporcional a su número atómico (esto es así porque inicialmente solo se generó Hidrógeno, y el resto de los elementos químicos se han ido produciendo a partir de él).

Nuestro planeta, de carácter rocoso, está enriquecido en elementos más pesados, por lo que su composición química es cualitativamente diferente a la del Universo en general, pero los seres vivos somos, a la vez, muy distintos de la corteza terrestre. La primera diferencia llamativa es el escaso número de elementos diferentes que entran a formar parte de los seres vivos, especialmente teniendo en cuenta la gran complejidad que nos caracteriza.

Los elementos químicos que están presentes en la composición de los seres vivos reciben el nombre de bioelementos. La imagen siguiente muestra, dentro de la tabla periódica, cuáles son estos elementos y algunas características significativas respecto a ellos:

  • Los bioelementos primarios son Hidrógeno, Carbono, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. Son los mayoritarios en los organismos y, además, forman parte de prácticamente todos los compuestos biológicos. Son todos de pequeño tamaño y de carácter no metálico (el Hidrógeno, como sabes, tiene una doble naturaleza en este sentido), lo que les permite formar enlaces covalentes muy difíciles de romper.
  • Los bioelementos secundarios (Sodio, Magnesio, Cloro, Potasio, Calcio), por el contrario, forman enlaces iónicos, gracias a que tienen gran facilidad para ceder o captar electrones. En general, no forman parte integral de las biomoléculas, pero son imprescindibles para que muchas de ellas puedan realizar sus funciones.
  • Los oligoelementos son elementos químicos que se encuentran presentes en los seres vivos en pequeñas proporciones, pero que son imprescindibles para mantener la vida. Algunos de estos se encuentran en todos los organismos (Manganeso, Hierro, Cobalto, Cobre, Cinc), mientras que otros aparecen en la mayoría de los seres vivos, aunque otros pueden sobrevivir sin ellos (Iodo, Aluminio, Silicio, Boro, Vanadio, Molibdeno).
A la vista de esta relación, está bastante claro que los bioelementos son seleccionados por los organismos de entre los componentes de su entorno, independientemente de la frecuencia con la que aparecen en el ambiente, porque sus características químicas los hacen ideales para cumplir las funciones que los seres vivos deben realizar. En ocasiones, conseguir la cantidad necesaria de algunos elementos es un problema para los organismos, a pesar de lo cual estos elementos no son sustituidos por otros, lo que demuestra su idoneidad. También llama la atención que elementos químicos abundantes y bastante similares a los bioelementos no son apenas utilizados por los organismos, como es el caso del Silicio.

Esta observación nos ha llevado, prácticamente, a responder a la segunda de nuestras preguntas: las características químicas de los bioelementos son idóneas para el desarrollo de las funciones vitales, razón por la cual los seres vivos seleccionan activamente esos elementos de entre todos los que están a su alrededor, a pesar de que otros elementos similares puedan encontrarse en mayor proporción.

domingo, 13 de septiembre de 2009

El marco conceptual de la Biología (molecular)

En una entrada anterior comenté las grandes ideas de la Biología actual, haciendo referencia al inventario de conceptos de las ciencias de la vida a escala molecular. Ahora toca comentar este inventario, que proporciona un marco al actual desarrollo de la Biología.

El grupo de universidades que trabaja para sistematizar los conceptos más importantes de la Biología Molecular los ha agrupado en 18 categorías, que a su vez han sido subdivididas en epígrafes más concretos. Las ideas más importantes de esta ciencia, según ellos, son las siguientes:

1. La Biología se basa en la ciencia observacional y experimental:

El conocimiento biológico se obtiene a partir de la observación sistemática de la naturaleza, la emisión de hipótesis acerca de su funcionamiento, y el contraste de esas hipótesis mediante la realización de experimentos diseñados para ello, que deben contar con los controles adecuados.

2. A nivel molecular, la Biología se basa en interacciones tridimensionales de superficies complementarias

Todas las moléculas son objetos tridimensionales, que se caracterizan por su estructura propia, que les permite realizar diferentes funciones. La interacción entre moléculas ocurre por reconocimiento y encaje de partes de sus superficies.

3. La célula es la unidad básica de la vida.

Cada célula contiene toda la maquinaria necesaria para llevar a cabo las funciones que caracterizan a los seres vivos: el metabolismo y la reproducción. A pesar de ello, normalmente las células no pueden vivir en ausencia de otras células. Las células se comunican entre sí, y a menudo dependen unas de otras.

4. Todas las células comparten una gran cantidad de procesos y mecanismos.

Una prueba de que todas las manifestaciones de la vida en nuestro planeta están interrelacionadas es la gran cantidad de procesos que comparten, incluso a escala molecular: todas comparten el mismo código genético, todas utilizan el ATP como moneda de energía y en muchas de ellas se conservan las mismas rutas metabólicas, así como muchos aspectos estructurales comunes.

5. Las células interactúan con otras células.

Las células se comunican con otras células que pueden encontrarse cerca o lejos de ellas, entrando en contacto unas con otras o liberando objetos físicos (ciertos tipos de moléculas) que actúan como señales. Una vez que uno de estos mensajeros químicos alcanza su célula diana la señal se transmite a su interior, provocando como resultado final una modificación de su expresión génica.

6. Las células proceden de otras células.

Nunca se ha observado la formación de una célula a partir de algo que no fuera una célula, aunque se deduce que la primera célula debió seguir un proceso exclusivo de aparición.
Antes de dividirse, las células deben duplicar todos sus componentes esenciales, en particular su maquinaria genética, para repartirla entre las dos células hijas.

7. El ADN es la fuente de la información heredable de una célula

Las características de los seres vivos están fijadas en una base molecular, es decir, ciertas moléculas presentes en nuestras células pueden ser "leídas" por la correspondiente maquinaria celular, de modo que ésta es capaz de seguir instrucciones codificadas en la estructura de la molécula informativa. En todos los seres vivos esta molécula informativa es el ADN, y la información que incluye en su estructura es suficiente para que la célula produzca y organice todas sus proteínas que, a su vez, son las moléculas que realizan la práctica totalidad de las funciones celulares.

8. El gen es la unidad funcional de la herencia

La información genética de las células está organizada en unidades discretas llamadas genes, cuyo soporte material es un fragmento de ADN. Cada gen es, por tanto, un segmento de ADN que contiene la información necesaria y suficiente para determinar qué péptido debe sintetizarse, y el momento en que debe ser sintetizado (expresión y regulación).

En algunos casos un gen coincide con un carácter observable, aunque esto no es necesariamente así: ciertos caracteres se deben al efecto conjunto de varios genes, mientras que algunos genes intervienen en más de un caracter.

9. La estructura del ADN determina el mecanismo de producción de ácidos nucleicos y proteínas.

La estructura molecular del ADN permite explicar cómo ocurre la síntesis del propio ADN, la del ARN y la de las proteínas. La Biología molecular ha permitido conocer los detalles de estos procesos, que en todo caso se basan en el acoplamiento espacial de las moléculas implicadas.

10. La reproducción sexual es una poderosa fuente de variación.

Los organismos que se reproducen sexualmente poseen información genética duplicada para todas sus características. La diferente "fuerza" de las dos copias de cada gen es la que determina cuál es la característica que el individuo manifiesta en cada caso.

Para reproducirse sexualmente, el organismo da lugar a unas células especiales, los gametos, que poseen solo una copia de cada gen. Cada gameto producido por un individuo presenta una combinación exclusiva de características genéticas, lo que proporciona una enorme variabilidad genética.

Las mutaciones (cambios aleatorios en la información genética) que afectan a las líneas celulares productoras de gametos pueden transmitirse a los organismos derivados de ellos, lo que constituye una nueva fuente de variabilidad genética.

11. Los procesos vitales son el resultado de reacciones químicas reguladas

Los procesos vitales ocurren gracias a un conjunto organizado y regulado de reacciones químicas. Todas ellas cumplen, como no puede ser de otro modo, los principios de la termodinámica, aunque los seres vivos son capaces de modificar su velocidad (pero no su sentido) gracias al uso de catalizadores específicos de naturaleza proteica, llamadas enzimas.

Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas necesarias para la vida no ocurren espontáneamente, sino que necesitan aporte de energía. Los seres vivos han solucionado este problema "acoplando" entre sí diferentes reacciones, de forma que los productos de una puedan servir como sustratos de otra. El sentido final del conjunto de ambas reacciones depende del balance global de energía, de modo que si en una de ellas se libera más energía que la que se consume en la otra, el proceso global es espontáneo.

Todas las células utilizan ciertas moléculas, comunes a todos los seres vivos, que les permiten almacenar energía química o electrones, y dichas moléculas son utilizadas en reacciones químicas acopladas a otras que, en condiciones normales, serían energéticamente imposibles.

12. Las proteínas realizan funciones muy variadas en una célula

Las proteínas son el tipo de moléculas que se encargan de realizar casi todas las funciones que una célula necesita para mantenerse: son enzimas que catalizan las reacciones químicas, interactúan con el ADN para regular y sintetizar otras moléculas (ácidos nucleicos y proteínas), detectan y transmiten señales químicas, transportan elementos físicos dentro de la célula...

Para mantener su actividad, la célula sintetiza simultáneamente miles de moléculas de proteínas diferentes, y lo hace de un modo regulado, controlando permanentemente cuántas copias de cada tipo de proteína son necesarias en un determinado momento.

13. La tecnología de ADN recombinante permite a los científicos manipular la composición genética de una célula.

La tecnología de ADN recombinante es un conjunto de técnicas y herramientas, derivadas en su mayoría de procesos que tienen lugar en los seres vivos, que permite a los científicos intervenir directamente sobre los procesos moleculares que ocurren en el interior de las células, lo que les permite desentrañar su funcionamiento a esta escala.

Entre otras posibilidades, estas técnicas permiten identificar, localizar y aislar genes individuales responsables de determinadas características. En su versión aplicada, esta tecnología permite también introducir estos genes en organismos diferentes a los originales, y forzarles a producir sustancias de interés.

14. La expresión de los genes está regulada

Ninguna célula necesita que todos sus genes se expresen (den lugar a sus productos) simultáneamente. De hecho, en los organismos pluricelulares cada célula expresa a lo largo de su vida solo una parte de los genes que posee. Este proceso de especialización en la realización de ciertas funciones se denomina diferenciación celular.

La síntesis de los productos de los genes en la célula está regulada en todo momento, y se produce como respuesta a ciertas señales externas o a procesos derivados del funcionamiento interno de la propia célula.

15. Toda la biomasa que contiene carbono se sintetiza a partir del CO2.

Todos los organismos utilizan nutrientes orgánicos, en particular carbono orgánico, para desarrollar sus funciones vitales y crecer (acumular biomasa). Algunos organismos, además, son capaces de transformar carbono inorgánico, tomado en forma de CO2 en carbono orgánico mediante la fotosíntesis, utilizando después estos compuestos en la misma forma que el resto de los organismos. Además, también existe un grupo de organismos capaces de sintetizar carbono orgánico mediante procesos quimiosintéticos. El resto de los seres vivos dependen de ellos para su nutrición.

La respiración celular es un proceso químico casi universal (lo realizan tanto los autótrofos como los heterótrofos) que permite a los organismos aprovechar la energía química presente en los compuestos orgánicos. Durante el proceso se consume oxígeno y se libera dióxido de carbono.

16. Las poblaciones de organismos evolucionan debido a la variación y a la selección

Las poblaciones naturales de seres vivos poseen una considerable variabilidad genética, originada gracias a los procesos de mutación, recombinación y reproducción sexual. Las diferentes características que presentan los organismos como consecuencia de estos procesos hacen que su capacidad de sobrevivir y reproducirse en un ambiente determinado varíe de unos a otros. La supervivencia diferencial de unos fenotipos frente a otros es el resultado de un proceso de selección natural, consecuencia de la diferente dificultad que los organismos encuentran para sobrevivir en su ambiente.

El resultado de los procesos de generación de variabilidad y selección natural es el cambio gradual, a lo largo del tiempo, en las características de los individuos que componen la población, es decir, la evolución biológica. Esta ocurre en relación con las características del entorno, sin que pueda hablarse de que existe un propósito o un objetivo final.

17. Los organismos y el ambiente se modifican mutuamente.

El ambiente ejerce presiones selectivas sobre los organismos. La selección favorece la supervivencia de "mutantes" surgidos por azar pero que son capaces de sobrevivir mejor en un ambiente determinado. Los productos de los ciclos de vida de los organismos, a su vez, vuelven a su ambiente, modificándolo.

18. En los organismos pluricelulares, múltiples tipos de células pueden trabajar juntos para formar tejidos que trabajan juntos para formar órganos.

Los organismos pluricelulares están formados por células con la misma información genética, pero que tienen aspecto distinto y realizan funciones diferentes, gracias a que expresan un subconjunto diferente de sus genes.

La diferenciación celular es un proceso complejo, que se produce de modo gradual durante el desarrollo embrionario del organismo. El resultado final es la organización de grupos de células especializadas en la realización de determinadas funciones, pero que trabajan coordinadamente entre sí para, en conjunto, llevar a cabo todas las tareas que necesita el organismo en su conjunto.


sábado, 12 de septiembre de 2009

La historia de la Biología


Si la Biología es el estudio de los seres vivos, está claro que el hombre ha "estudiado" al resto de los seres vivos (y a sí mismo) desde antes, incluso, de constituirse como especie: ¿alguien puede imaginar que un organismo con algo de inteligencia no se preocupe de conocer las costumbres de sus posibles depredadores o las características de las especies de las que se alimenta?

Puede identificarse, incluso, un momento en el que ese conocimiento se plasmó en una aplicación tecnológicamente útil para el hombre: el desarrollo de la agricultura durante el Neolítico solo se entiende si pensamos que los seres humanos, durante ese periodo, reunieron suficiente conocimiento sobre las plantas cultivables y sus ciclos de vida como para poder aplicarlo a sus trabajos cotidianos. En todo caso, el mundo occidental suele considerar que el conocimiento científico se inicia en la antigua Grecia. Eso también es aplicable a la Biología.

Uno de los estudiosos de las Ciencias de la Vida de los que tenemos conocimiento cierto es Hipócrates, a quien suele considerarse el padre de la medicina. A él se debe la teoría de los humores, según la cual el cuerpo humano contiene cuatro tipos de líquidos que le proporcionan características determinadas, y la primera descripción de los tratamientos médicos. Es también el autor del "Juramento hipocrático", el código deontológico que aún siguen jurando los médicos de hoy.

Alcmeón de Crotona fue un filósofo pitagórico que aportó a la Biología el primer intento conocido de aplicar algo similar al método científico. En su época era una opinión generalizada que la inteligencia estaba ubicada en el hígado. Alcmeón utilizó la deducción y la experimentación para demostrar que, en realidad, residía en el cerebro.

De todos modos, el principal referente de la "Biología" en Grecia fue, sin duda, Aristóteles, que entre sus muchas actividades incluyó estudios que suponen el inicio de varias disciplinas biológicas, incluyendo la Zoología, la Botánica, la Anatomía.... Desde el punto de vista de la historia de la ciencia en general, Aristóteles inicia la observación sistemática y la descripción como métodos de trabajo. La descripción del mundo vegetal de la época se debe a Teofrasto, discípulo de Aristóteles.

En la época de Roma los avances más importantes se producen en la Medicina, de la mano de Galeno (cuyo nombre aún se utiliza para referirse a todos los médicos). Entre sus principales descubrimientos figura el hecho de que las arterias contienen sangre; hasta ese momento se consideraba que solo contenían aire.

La Edad Media supuso, al menos desde el punto de vista occidental, un estancamiento del conocimiento relacionado con la Biología, aunque seguramente habría que revisar este punto de vista: en el mundo árabe se tradujeron, durante este periodo, las principales obras científicas griegas, lo que permitió el avance de la medicina de la mano, por ejemplo, de Avicena. También son destacables las obras de Miguel Escoto, que traduce tanto las obras de Aristóteles como las obras alquímicas musulmanas, y que en el siglo XIII inicia estudios experimentales, especialmente en Anatomía, o de Alberto Magno, que escribe tratados de Anatomía y Botánica. También se escriben tratados de cetrería, en relación con la afición a la caza. Sin embargo es, en general, una época de oscurantismo, en la que incluso la descripción de la naturaleza se basa más en ideas preconcebidas (normalmente falsas) que en la simple observación. Así surgieron los "Bestiarios", libros generalmente ilustrados en los que se describía animales absolutamente fabulosos, basados muchas veces en relatos de segunda mano o incluso en figuras literarias utilizadas como metáfora en libros sagrados, y que nunca habían sido vistos.

El Renacimiento parece abrir un periodo de curiosidad desmedida, y en una reacción diametralmente opuesta a la época anterior, proliferan los dibujos "del natural". El precursor indudable de esta tendencia es Leonardo da Vinci, que dedica una época de su vida a realizar dibujos anatómicos (en realidad, como estudios para mejorar su técnica en la representación de la figura humana) a partir de cadáveres. La intervención papal, en forma de prohibición de esta actividad, acabó con su trabajo.

Sin embargo, lo que había empezado con tanta fuerza era muy difícil de parar, y a partir de ese momento proliferan los libros con ilustraciones detalladas de plantas y animales. En este contexto, Andrés Vesalio publica su obra "De la estructura del cuerpo humano", que es considerado el primer tratado correcto de anatomía humana. Un poco más tarde su discípulo Fallopio investiga sobre el sistema nervioso y los órganos reproductores (descubriendo, por ejemplo, las "trompas de Falopio"). El descubrimiento de América, y la constatación de que en el nuevo continente existían multitud de especies animales y vegetales diferentes a las del Viejo Mundo, provoca que se proceda a describir a esas especies nuevas para la ciencia.

El siglo XVII marca el inicio de los métodos de la Ciencia Moderna, en particular en la Física, pero en general en todo el conocimiento científico occidental. Para la Biología, supone el invento de una herramienta fundamental, el microscopio. El primero en usarlo en Biología fue, curiosamente, Galileo, aunque después le siguieron investigadores como Leeuwenhoek, que fue el primero en observar el contenido celular, o Robert Hooke.

En el siglo XVII se describe por completo el funcionamiento del sistema circulatorio: Servet descubre la circulación menor de la sangre, Harvey la circulación mayor y Malpighi observa los capilares. Otro aspecto destacado de la investigación biológica en este siglo es la polémica sobre el desarrollo embriológico. Una de las teorías vigentes era la del preformismo, según la cual cada individuo de todas las generaciones futuras está ya presente en sus antepasados, "preformado" a una escala diminuta, uno dentro de otro como en un juego de muñecas rusas. Dentro de esta teoría algunos investigadores suponían que estos futuros individuos se encontraban dentro del óvulo, mientras que otros creían que se encontraban en el espermatozoide. Frente a esta idea surgió el "ovismo", que defendía que cada individuo se formaba "de nuevo" a partir del óvulo. Por aquella época ni siquiera se sospechaba que fuera necesaria la fecundación.

El siglo XVIII marca el inicio del desarrollo de la Biología como ciencia experimental. Aplicando esta metodología se realizan estudios de fisiología animal y vegetal, y se rechaza definitivamente la teoría de la generación espontánea.

Uno de los avances más importantes de este siglo, en realidad de la historia de la Biología, es el trabajo de Linneo, que permitió la sistematización en Botánica y Zoología. Linneo agrupó las diferentes especies de plantas y animales según su parecido en categorías cada vez más pequeñas, y les dio un nombre basado en el sistema de nomenclatura binomial (cada nombre consta de dos elementos, el nombre del género y el de la especie). Sin pretenderlo, Linneo estableció las bases para reconocer el "parentesco" de organismos diferentes lo que, a la postre, contribuiría a aceptar la idea de la evolución biológica.

Es precisamente en torno a esta idea donde se produce la principal polémica de este siglo, que se arrastraría hasta la mitad del XIX. Buffon propone la primera teoría acerca de que las especies cambian con el tiempo, sugiriendo que lo hacen arrastrados por un "impulso de perfeccionamiento". Frente a esta teoría se sitúa Cuvier, que explica la desaparición de especies como consecuencia de catástrofes sucesivas, la última de las cuales habría sido el Diluvio, mientras que Lamarck vuelve a defender una teoría evolutiva, basada en la transmisión a la descendencia de las características adquiridas por un individuo a lo largo de su vida.

En el siglo XIX se produce la gran expansión de la Biología. A lo largo de este periodo empieza el desarrollo de todas sus grandes áreas actuales: el desarrollo experimental de la Fisiología, la Microbiología con las aportaciones básicas de Pasteur y Koch, la Ecología (Haeckel) y, hacia finales del siglo, la Genética y la Bioquímica. Pero, sobre todo, en este periodo se establecen las grandes teorías sobre las que se asienta la Biología actual: la teoría celular, cerrada definitivamente gracias a las aportaciones de Ramón y Cajal, la teoría de la Herencia pergeñada por Mendel y la Teoría de la Evolución de Darwin.

En el siglo XX se produce una de las grandes convergencias teóricas de la Biología: la unión entre la teoría de la Herencia y la teoría de la Evolución, gracias a lo que se conoce como la "síntesis neodarwinista". A partir de este momento se hacen compatibles las ideas de Darwin con las leyes de Mendel y con la teoría cromosómica de la herencia, con lo que los biólogos consiguen una visión congruente de cómo las características de los seres vivos se transmiten de generación en generación, cambiando aleatoriamente y sufriendo una selección por parte de su entorno que les fuerza a evolucionar, dando como resultado su adaptación a las condiciones ambientales.

La otra línea de desarrollo de la Biología en este siglo es la Biología Molecular. En este camino los desarrollos tecnológicos (microscopio electrónico, técnicas químicas de separación e identificación de sustancias...) han permitido visualizar y comprender la vida a escala subcelular y molecular. Ahora se posee una imagen bastante detallada de cómo la composición de los seres vivos, y la estructura de las moléculas que forman parte de ellos, contribuyen al desempeño de las diferentes funciones que caracterizan la vida.

En particular, el desarrollo de la Genética Molecular, de la mano tanto de las técnicas instrumentales como gracias al uso de las propias herramientas biológicas proporcionadas por los organismos, y utilizadas como instrumentos (enzimas de restricción, polimerasa de ADN...) ha permitido el avance no solo del conocimiento íntimo de los seres vivos, sino también el desarrollo de una tecnología en la que los instrumentos y herramientas son moléculas biológicas, que se utilizan para conseguir que ciertos seres vivos produzcan para nosotros sustancias químicas que de otro modo no podríamos utilizar (antibióticos, enzimas, anticuerpos...)