En esta clase, así como en la anterior y en la siguiente, abordo áreas de la Biología en las que soy realmente débil: origen de la vida, diversidad de la vida y taxonomía/sistemática. También son áreas en las que ha habido muchos cambios recientemente (a menudo aún no incorporados en los libros de texto), y es poco probable que esté al día, así que por favor ayúdame a poner estas conferencias al día…. Este post fue escrito originalmente en 2006 y re-publicado algunas veces, incluyendo en 2010.
Como sabrás, he estado enseñando BIO101 (y también el laboratorio BIO102) a estudiantes no tradicionales en un programa de educación para adultos durante unos doce años. De vez en cuando reflexiono sobre ello públicamente en el blog (ver esto, esto, esto, esto, esto, esto y esto para unas cuantas entradas cortas sobre diversos aspectos de la misma – desde el uso de videos, hasta el uso de un blog de aula, a la importancia del Acceso Abierto para que los estudiantes puedan leer la literatura primaria). La calidad de los estudiantes en este programa ha aumentado constantemente a lo largo de los años, pero todavía estoy muy limitado con el tiempo: Tengo ocho reuniones de cuatro horas con los estudiantes a lo largo de ocho semanas. En este periodo tengo que enseñarles toda la biología que necesitan para sus carreras no científicas, además de dejar tiempo suficiente para que cada alumno haga una presentación (sobre la ciencia de su planta y animal favoritos) y para dos exámenes. Por lo tanto, tengo que reducir las clases a lo esencial, y esperar que lo esencial sea lo que los estudiantes que no son de ciencias realmente necesitan saber: conceptos en lugar de datos, relación con el resto de sus vidas en lugar de relación con las otras ciencias. Así que sigo mis clases con vídeos y debates en el aula, y sus deberes consisten en encontrar vídeos o artículos de biología interesantes y publicar los enlaces en el blog del aula para que todos los vean. Un par de veces utilicé la malaria como hilo conductor de todos los temas, desde la biología celular hasta la ecología, pasando por la fisiología y la evolución. Creo que ha funcionado bien, pero es difícil de hacer. También escriben un trabajo final sobre algún aspecto de la fisiología.
Otra novedad es que la administración se ha dado cuenta de que la mayoría del profesorado lleva muchos años en la escuela. Tenemos experiencia y, aparentemente, sabemos lo que hacemos. Por ello, recientemente nos han dado mucha más libertad para diseñar nuestro propio programa de estudios en lugar de seguir uno predefinido, siempre que los objetivos finales de la clase sigan siendo los mismos. No sé exactamente cuándo volveré a impartir las clases de BIO101 (¿a finales de otoño o en primavera?), pero quiero empezar a replantear mi clase con tiempo. También me preocupa que, dado que no estoy investigando activamente en el laboratorio y, por tanto, no sigo la literatura tan de cerca, algunas de las cosas que enseño estén ahora desfasadas. No es que nadie pueda estar al día con todos los avances en todas las áreas de la Biología que es tan enorme, pero al menos las grandes actualizaciones que afectan a la enseñanza de los cursos introductorios son cosas que necesito saber.
Necesito ponerme al día y actualizar mis notas de clase. ¡Y qué mejor manera que el crowdsourcing! Así que, a lo largo de las próximas semanas, volveré a publicar mis antiguos apuntes de clase (tened en cuenta que sólo son intros – los debates y los vídeos, etc., los siguen en el aula) y os pediré que me comprobéis los hechos. Si me equivoco en algo o algo no está actualizado, házmelo saber (pero no insistas sólo en tu hipótesis preferida si una cuestión aún no está resuelta; dame la explicación completa de la controversia). Si falta algo de forma evidente, hágamelo saber. Si algo puede decirse en un lenguaje más agradable, edite mis frases. Si conoces imágenes, artículos, entradas de blog, vídeos, podcasts, visualizaciones, animaciones, juegos, etc. que puedan servir para explicar estos conceptos básicos, házmelo saber. Y al final, una vez que hagamos esto con todas las clases, discutamos el temario general: ¿hay alguna forma mejor de organizar todo este material para una clase tan rápida.
La anatomía es la subdisciplina de la biología que estudia la estructura del cuerpo. Describe (y etiqueta en latín) la morfología del cuerpo: forma, tamaño, color y posición de las distintas partes del cuerpo, con especial atención a los órganos internos, tal y como se ven a simple vista. La histología es un subconjunto de la anatomía que describe lo que sólo puede verse al microscopio: cómo se organizan las células en tejidos y los tejidos en órganos. La embriología (clásica) describe el modo en que los tejidos y los órganos cambian de forma, tamaño, color y posición durante el desarrollo.
La anatomía proporciona el mapa y las herramientas para el estudio de la función de los órganos en el cuerpo. Describe (pero no explica) la estructura del cuerpo. La fisiología describe además cómo funciona el cuerpo, mientras que la biología evolutiva proporciona la explicación de la estructura y la función.
Aunque los detalles de la anatomía humana son esenciales en la educación de los médicos y las enfermeras (y la anatomía animal para los veterinarios), no tenemos tiempo ni necesitamos prestar demasiada atención a los detalles anatómicos finos. Retomaremos la anatomía relevante cuando hablemos de la función de los órganos: la fisiología.
Tradicionalmente hay dos formas de estudiar (y enseñar) la fisiología. El primer enfoque es médico/bioquímico. El cuerpo se subdivide en sistemas de órganos (por ejemplo, respiratorio, digestivo, circulatorio, etc.) y cada sistema se estudia por separado, empezando por la fisiología de todo el organismo y bajando gradualmente al nivel de los órganos, tejidos, células y moléculas, para terminar con la bioquímica de la función fisiológica. Sólo se estudia el cuerpo humano. A menudo, las patologías y los trastornos se utilizan para ilustrar el funcionamiento de los órganos: al igual que arreglar el motor de un coche sustituyendo una pieza rota nos ayuda a entender cómo funciona normalmente el motor, el estudio de las enfermedades nos ayuda a entender cómo funciona el cuerpo humano sano.
El otro enfoque es ecológico/energético. Las funciones fisiológicas se dividen no por sistema de órganos, sino por el problema -impuesto por el entorno- que el cuerpo necesita resolver para sobrevivir y reproducirse, por ejemplo, el problema de la termorregulación (temperatura corporal), la osmorregulación (equilibrio de sal/agua), la locomoción (movimiento), la respuesta al estrés, etc., cada problema utilizando múltiples sistemas de órganos. Un aspecto importante de este enfoque es el estudio de la forma en que el cuerpo utiliza la energía: ¿es la solución energéticamente óptima? Los individuos que hayan resuelto un problema con un mecanismo fisiológico más eficiente desde el punto de vista energético se verán favorecidos por la selección natural, por lo que este enfoque también está profundamente arraigado en un contexto evolutivo. Por último, este enfoque es muy comparativo – el estudio de los animales que viven en ambientes particularmente inusuales o duros nos ayuda a entender el origen y la evolución de los mecanismos fisiológicos tanto en los seres humanos como en otros animales.
El libro de texto es inusualmente bueno (para un libro de texto de Introducción a la Biología) al tratar de unir y combinar ambos enfoques. Desgraciadamente, no tenemos suficiente tiempo para cubrir todos los sistemas y todos los problemas en detalle, así que nos ceñiremos al primer enfoque, el médico, y cubriremos sólo algunos de los sistemas del cuerpo humano, pero les insto a que lean los capítulos pertinentes del libro de texto para entender también los aspectos ecológicos y evolutivos de la fisiología (por no mencionar algunos ejemplos realmente interesantes de resolución de problemas por parte de cuerpos animales). Sugerencia: utilice las preguntas de «autocomprobación» al final de cada capítulo y, si las responde correctamente, estará listo para el examen.
Empecemos por ver un par de principios básicos importantes que pertenecen a toda la fisiología. Uno de estos principios es el de la escala, para el cual debes leer el folleto que discutiremos en clase la próxima vez. El segundo principio importante en la fisiología es el fenómeno de los bucles de retroalimentación: tanto los negativos como los positivos.
El bucle de retroalimentación negativa funciona de una manera muy similar al gráfico que dibujamos cuando discutimos el comportamiento. El cuerpo tiene un sensor que monitorea el estado del cuerpo – el ambiente interno (a diferencia del ambiente externo del que hablamos cuando discutimos el comportamiento), por ejemplo,. los niveles de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre, la presión arterial, la tensión en los músculos, etc. Si algo en el entorno interno cambia de los valores normales y óptimos, el sensor informa al integrador (normalmente el sistema nervioso) que inicia la acción (a través de un efector) para devolver el cuerpo a su estado normal.
Así, un evento A conduce a la respuesta B que lleva a contrarrestar y eliminar el evento A. Casi todas las funciones del cuerpo operan como un bucle de retroalimentación negativa. Por ejemplo, si se segrega una hormona, junto con el efecto funcional de esa hormona, también habrá un desencadenante de un bucle de retroalimentación negativa que detendrá la secreción adicional de esa hormona.
Hay muy pocas funciones en el cuerpo que siguen un patrón diferente: el bucle de retroalimentación positiva. En él, un evento A lleva a la respuesta B, que conduce a la reiniciación e intensificación del evento A, que lleva a una respuesta B más fuerte… y así sucesivamente, hasta que se alcanza un umbral o se logra el objetivo final, cuando todo vuelve bruscamente a la normalidad.
La semana que viene veremos un ejemplo del bucle de retroalimentación positiva que ocurre en el sistema nervioso. Por ahora, vamos a enumerar otros bucles de retroalimentación positiva notables en los seres humanos.
En primer lugar, el mecanismo de coagulación de la sangre es una cascada de reacciones bioquímicas que funciona según este principio. Una lesión estimula la producción de una molécula que desencadena la producción de otra molécula que a su vez desencadena la producción de otra molécula, así como la producción de más de la primera molécula, y así sucesivamente, hasta que la lesión se ha cerrado por completo.
El parto es otro ejemplo del bucle de retroalimentación positiva. Cuando el bebé está preparado para salir (¡y no hay quien lo pare en este momento!), libera una hormona que desencadena la primera contracción del útero. La contracción del útero empuja un poco al bebé hacia fuera. Ese movimiento del bebé estira la pared del útero. La pared del útero contiene receptores de estiramiento que envían señales al cerebro. En respuesta a la señal, el cerebro (en realidad la porción posterior de la glándula pituitaria, que es una excrecencia del cerebro) libera la hormona oxitocina. La oxitocina entra en el torrente sanguíneo y llega al útero desencadenando la siguiente contracción que, a su vez, mueve al bebé que estira aún más la pared del útero, lo que provoca más liberación de oxitocina… y así sucesivamente, hasta que el bebé es expulsado, cuando todo vuelve a la normalidad.
El siguiente ejemplo del bucle de retroalimentación positiva también está relacionado con los bebés: la lactancia. Cuando el bebé tiene hambre, la madre acerca su boca al pezón del pecho. Cuando el bebé se aferra al pezón y trata de succionar, esto estimula los receptores del pezón que notifican al cerebro. El cerebro libera la hormona oxitocina desde la glándula pituitaria posterior. La oxitocina llega al torrente sanguíneo y estimula la glándula mamaria para que libere leche (no para que la sintetice, ya está almacenada en los pechos). La liberación de leche en el pezón estimula al bebé para que empiece a mamar enérgicamente, lo que estimula aún más los receptores del pezón, por lo que se libera aún más oxitocina desde la hipófisis y la glándula mamaria libera aún más leche, y así sucesivamente, hasta que el bebé está saciado y se desprende del pecho, momento en el que todo vuelve a la normalidad.
El siguiente ejemplo del bucle de retroalimentación positiva también está relacionado con los bebés, pero nueve meses antes. La cópula -sí, tener sexo- es un ejemplo de bucle de retroalimentación positiva, tanto en las hembras como en los machos. La estimulación inicial de los genitales estimula los receptores del tacto que notifican al cerebro que, a su vez, estimula la continuación (y la aceleración gradual) del movimiento, que proporciona más estimulación táctil, y así sucesivamente, hasta el orgasmo, después del cual todo vuelve a la normalidad (a pesar del resplandor posterior).
El último ejemplo también se aplica a las regiones inferiores del cuerpo. La micción también es un bucle de retroalimentación positiva. La pared de la vejiga urinaria está construida de tal manera que hay varias capas de células. A medida que la vejiga se llena, la pared se estira y estas células se desplazan hasta que la pared sólo tiene una célula de grosor. En este punto, la micción es inevitable (no puede detenerse mediante un control voluntario). El comienzo de la micción inicia el movimiento de las células de vuelta del estado monocapa al estado multicapa. Esto contrae aún más la vejiga, lo que obliga a la orina a salir aún más, lo que contrae aún más la pared de la vejiga, y así sucesivamente hasta que la vejiga vuelve a estar completamente vacía y todo vuelve a la normalidad.
El concepto de bucles de retroalimentación es esencial para la comprensión del principio de homeostasis. Los mecanismos homeostáticos garantizan que el entorno interno permanezca constante y que todos los parámetros se mantengan en sus niveles óptimos (por ejemplo, la temperatura, el pH, el equilibrio sal/agua, etc.) a lo largo del tiempo. Si un cambio en el entorno (por ejemplo, la exposición al calor o al frío) provoca un cambio en la temperatura corporal interna, éste es detectado por los termorreceptores del cuerpo. Esto desencadena mecanismos correctivos: si el cuerpo está sobrecalentado, los capilares de la piel se expanden e irradian calor y la glándula sudorípara libera sudor; si el cuerpo está demasiado frío, los capilares de la piel se contraen, los músculos empiezan a temblar, los pelos se erizan (piel de gallina) y las hormonas tiroideas se liberan, lo que provoca la apertura de los poros de las membranas de las mitocondrias de los músculos, reduciendo así la eficacia de la descomposición de la glucosa en agua y dióxido de carbono, lo que produce un exceso de calor. De cualquier manera, la temperatura del cuerpo volverá a su nivel óptimo (alrededor de 37 grados Celsius), lo que se denomina el punto de ajuste de la temperatura corporal. Cada aspecto del entorno interno tiene su propio punto de ajuste que es defendido por mecanismos homeostáticos.
Aunque es esencialmente correcto, hay un problema con el concepto de homeostasis. Uno de los problemas del término «homeostasis» es lingüístico: el propio término homeostasis es engañoso. «Homeo» significa ‘similar, igual’ y «estasis» significa ‘estabilidad’. Así, la palabra homeostasis (acuñada por Walter Cannon a principios del siglo XX) sugiere una constancia fuerte y absoluta. Imagínese que se le pide que dibuje una representación gráfica del concepto de homeostasis en 10 segundos. Sin tiempo suficiente para pensar, probablemente dibujaría algo como esto:
La característica principal de este gráfico es que el punto de ajuste es constante a lo largo del tiempo. Pero no es así como funciona en el mundo real. El gráfico anterior sólo es correcto si la escala de tiempo (en el eje X) abarca sólo de segundos a minutos. Si se amplía a horas, días o años, el gráfico sería erróneo: la línea dejaría de ser recta y horizontal. El punto de referencia cambia de forma predecible y bien controlada. Por ejemplo, el punto de ajuste de los niveles de testosterona en la sangre de los hombres a lo largo de la vida puede tener este aspecto:
Ese sería un ejemplo de control del desarrollo de un punto de ajuste. En cada momento, ese punto de ajuste es defendido por mecanismos homeostáticos, pero el valor del punto de ajuste está controlado a su vez por otros procesos fisiológicos. Otro ejemplo de cambio controlado de un punto de ajuste puede ser el siguiente:
Este sería un ejemplo de control oscilatorio de un punto de ajuste. A principios de la década de 1980, Nicholas Mrosovsky acuñó un nuevo término para sustituir a «homeostasis» y específicamente para denotar los cambios controlados de los puntos de ajuste de todos los valores bioquímicos, fisiológicos y de comportamiento: reostasis.
Casi todos los aspectos de la fisiología (y del comportamiento) presentan reostasis, tanto de desarrollo como oscilatorias (ritmos diarios y/o anuales). Algunas excepciones notables son el pH de la sangre (que debe mantenerse dentro de un rango muy estrecho de 7,35 a 7,45) y los niveles de calcio en la sangre. Si los niveles de pH o de Calcio se alejan demasiado del valor óptimo, las células del cuerpo (sobre todo las células nerviosas, los músculos y las células del corazón) no pueden funcionar correctamente y el cuerpo corre peligro de muerte inmediata.
Lecturas adicionales:
«La medicina necesita evolución», de Nesse, Stearns y Omenn
Previamente en esta serie:
BIO101 – La biología y el método científico
BIO101 – Estructura celular
BIO101 – Síntesis de proteínas: Transcripción y traducción
BIO101: Interacciones célula-célula
BIO101 – De una célula a dos: División celular y replicación del ADN
BIO101 – De dos células a muchas: Diferenciación celular y desarrollo embrionario
BIO101 – De los genes a los rasgos: Cómo el genotipo afecta al fenotipo
BIO101 – De los genes a las especies: Una introducción a la evolución
BIO101 – Lo que hacen las criaturas: Comportamiento animal
BIO101 – Los organismos en el tiempo y el espacio: Ecología
BIO101 – Origen de la diversidad biológica
BIO101 – Evolución de la diversidad biológica
BIO101 – Diversidad biológica actual