1.1. La biología a través del tiempo (segunda parte)

El registro de datos para análisis matemático fue desarrollado por René Descartes (1596-1650) en Discurso del método (1637) como una correlación de álgebra y geometría, denominada geometría analítica. De la observación telescópica, el foco de la investigación cambió a la observación microscópica.

En 1665, Robert Hooke publicó Micrographia, en donde incluye la palabra en latín cellula para describir una cavidad repetitiva en una lámina de corcho, por analogía con la celda pequeña de un monje. Con esta obra inicia la biología celular.

Portada de Micrographia y la ilustración de una pulga
Portada de Micrographia y la ilustración de una pulga

Una década después, el trabajo de Hooke habría de inspirar a Antonie Philips van Leeuwenhoek (1632-1723) para fabricar un microscopio de una sola lente, capaz de amplificar imágenes por aproximadamente 250 veces, con el cual pudo ver los numerosos microbios que vivían en una gota de agua.

En 1687, Isaac Newton (1642-1727) publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, la obra clásica en la que están enunciadas las leyes delmovimiento de los cuerpos y la ley de gravitación universal.Fue el propio Newton quien divulgó la anécdota de que la caída de unamanzana lo abstrajo a una reflexión profunda sobre la caída de los cuerpos,hasta concluir que la órbita de la Luna es equivalente a la caída de la Lunaalrededor de la Tierra, y que el concepto de gravedad es de alcance universal. Aligual que las manzanas, las hojas de los árboles y la lluvia caen a causa de lagravedad. Esta misma fuerza origina el peso de los cuerpos, mantiene al aguaen los océanos y en órbita a los satélites, planetas, estrellas, galaxias… Más aún,cuando se formaron los cuerpos celestes, la gravedad hizo que fueranredondos.

Con Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Newton estableció a la física como la más básica de las ciencias naturales y el fundamento de absolutamente toda la tecnología. Etimológicamente, physis en griego significa naturaleza.

En el campo de la biología, en 1735 fue publicado Systema Naturae, por Carolus Linnaeus (1707-1778), quien estructuró un sistema de clasificación por los niveles jerárquicos de reino, clase, orden, género y especie, y aplicó la nomenclatura binomial por género y especie para el estudio de todos los seres vivos.

En el campo de la química, Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) enunció la versión inicial de la ley de conservación de la masa: “La materia no se crea ni se destruye, solamente se transforma.” En 1791, a través de la Academia de Ciencias de París, introdujo el Sistema Métrico Decimal, actualmente Sistema Internacional (SI) de Unidades, que define los patrones para las unidades de medida de acuerdo con los avances de la ciencia y la tecnología.

Por su obra científica, Lavoisier es honrado como Padre de la química moderna; y por haber sido funcionario de gobierno, fue decapitado durante la Revolución francesa.

En 1831, Charles Darwin (1809-1882) abordó el barco Beagle para emprender una expedición científica alrededor del mundo. El viaje le permitió conocer la diversidad biológica del planeta y coleccionar especímenes de plantas, animales y fósiles.

En 1836, Darwin regresó a Inglaterra, y por muchos años hizo un análisis de la información obtenida, que puede resumirse así: En la naturaleza, los organismos que constituyen una especie no son idénticos entre sí, más bien tienen diferencias sutiles. Todos ellos enfrentan depredadores, enfermedades y hambre, compitiendo por los recursos limitados… luchando por sobrevivir. Aquellos que sobreviven y se reproducen, son más aptos por estar mejor adaptados al ambiente que aquellos que no, y heredan a su progenie las características que confieren tal aptitud.

Las especies se transforman a través de generaciones sucesivas, y una sola especie puede originar otras especies, siendo la supervivencia y la extinción parte de un proceso conducido por selección natural. En 1859, Darwin publicó El origen de las especies por selección natural, una obra clásica de evolución, la teoría que explica racionalmente la biodiversidad en la Tierra.


El barco Beagle, Darwin y la portada de El origen de las especies

El origen de la humanidad

El origen de la humanidad está en África. Gran parte del registro fósil ha sido descubierta al Este de la gigantesca falla geológica denominada Valle de la Grieta, en Etiopía, Kenia y Tanzania, en donde hace 6 millones de años la desertificación devastó densos bosques lluviosos, promoviendo la adaptación de diversas especies de simios a nuevos ambientes de sabana y desierto en un intento de supervivencia.

Hace 2.4 millones de años, el género Homo evolucionó del género Australopithecus. El origen de Homo habilis, la primera especie humana, se asocia con la invención de la tecnología en su expresión más arcaica, la fabricación y el uso de herramientas de piedra para alimentarse de carne y huesos abandonados por leones y otros depredadores.

Hace 1 millón de años, la humanidad estaba representada por Homo ergaster, una de cuyas adaptaciones al ambiente fue haberse convertido encazador. De ergaster evolucionaron tres especies diferentes de Homo que habríande poblar tres continentes.

Hace 100 mil años, Europa estaba poblada por Homo neanderthalensis, Asia por Homo erectus y África por Homo sapiens. Pero desde hace 30 mil años, Europa, Asia y África han estado pobladas solamente por Homo sapiens.

Homo neanderthalensis y Homo erectus son especies extintas. El mayor desarrollo intelectual y tecnológico de Homo sapiens fue probablemente la diferencia.


Era ya el siglo XIX y aún no había una conclusión científica sobre la generación espontánea de la vida. Fue entonces cuando la Academia de Ciencias de Francia ofreció un premio en efectivo a quien demostrara definitivamente ya sea la veracidad o la falsedad de la generación espontánea.

Tal premio fue cobrado por Louis Pasteur (1822-1895) en 1864. Pasteur realizó un experimento sencillo e irrefutable que terminó con la creencia en la generación espontánea: Diseñó matraces con cuello de cisne, en los que vertió medio de cultivo, el cual fue esterilizado por ebullición. Al enfriarse los matraces, el aire podía entrar al matraz, pero los microorganismos quedaban atrapados en el cuello de cisne sin llegar al medio de cultivo, el cual permanecía estéril indefinidamente. Pero si el cuello de cisne se rompía, el medio de cultivo fácilmente se descomponía.

En su discurso en La Sorbonne, de París, Pasteur diría: “La doctrina de la generación espontánea no va a recuperarse jamás del golpe mortal que le ha asestado este simple experimento.” Los matraces del experimento de Pasteur permanecen todavía estériles en el Instituto Pasteur de París.

Matraces de Pasteur en París. Fuente: @Virusemergentes

Pasteur también descubrió que los microorganismos eran causa de enfermedades infecciosas, y desarrolló tecnología para controlarlas, como la vacuna contra la rabia.

La farmacología contemporánea se ha desarrollado a partir del trabajo de Louis Pasteur, para el cuidado de la salud humana. El más alto reconocimiento científico en microbiología ha sido para él, honrado como fundador de la bacteriología y benefactor de la humanidad.

Alfred Nobel (1833-1896), inventor de la dinamita con base en la nitroglicerina, era un empresario acaudalado cuando en 1888 un periódico francés publicó prematuramente su obituario: “El mercader de la muerte ha muerto.” Un año antes de morir, Nobel firmó su testamento en París, legando gran parte de su fortuna a instituir los Premios Nobel, para ser entregados anualmente a quienes confieran el mayor beneficio a la humanidad, en física, química, fisiología o medicina, literatura y paz.

Tradicionalmente, las mujeres habían sido excluidas de la investigación científica. Cuando algunas universidades europeas empezaron a aceptar mujeres, la polaca María Sklodowska (1867-1934) se inscribió en La Sorbonne, de París, en donde obtuvo el grado de Doctor en física y matemáticas. Por su trabajo sobre radiación, recibió el Premio Nobel de Física en 1903; y por haber descubierto los elementos radioactivos polonio y radio, el Premio Nobel de Química en 1911. Pionera en la investigación sobre la estructura atómica de la materia y la energía nuclear, es mejor conocida por su nombre afrancesado de Marie Curie.

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) publicó la teoría especial de la relatividad, que transformó la física desde su fundamento. Una de sus conclusiones más famosas es la equivalencia de masa y energía:

E = mc2                                             

Simbología

Energía

Masa

Velocidad de la luz (3 x 108 m/s)

La ecuación E = mc2 significa que masa y energía son dos formas de lo mismo. Una cantidad pequeña de masa puede transformarse en una cantidad enorme de energía, y viceversa.

Es un conocimiento científico elemental en la comprensión de la naturaleza. En el Sol, a una temperatura cercana a 15 x 106 K, núcleos de hidrógeno se fusionan para formar núcleos de helio, y en el proceso una fracción de masa nuclear (0.69 %) se transforma en energía. La luz solar, fuente final de energía para todas las formas de vida en la Tierra, tiene su origen en estas reacciones de fusión nuclear.

Video del sol en un periodo de 5 días. Fuente: Solar Dynamics Observatory, NASA.

En una estrella, después de la fusión de hidrógeno comienza la fusión de helio para formar oxígeno y carbono con liberación de energía, y el proceso continúa hasta que silicio se fusiona para formar hierro.

La formación de elementos más pesados que el hierro no libera energía, sino que la absorbe, lo que explica la escasez de elementos como oro y la inestabilidad de elementos radioactivos como plutonio y uranio, cuya fisión nuclear –i. e. desintegración del núcleo atómico– libera una cantidad enorme de energía, la cual es tecnológicamente utilizada en reactores nucleares y bombas atómicas.

Los elementos que constituyen a los seres vivos, son principalmente: hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio, fósforo, cloro, potasio, azufre, sodio, magnesio, hierro… En consecuencia, los seres vivos están literalmente hechos de polvo de estrellas.

Fue en 1924 cuando Alexander I. Oparin (1894-1980) publicó la teoría fisicoquímica del origen de la vida a partir de los elementos presentes en la atmósfera primitiva de la Tierra.

Al analizar la estructura de la materia, hay un patrón lógico de niveles de organización, que en orden de complejidad creciente son: leptones y quarks, átomos, moléculas, organelos, células, tejidos, órganos, sistemas, organismos, poblaciones, comunidades, ecosistemas y biosfera.

Al investigar las bases moleculares de la vida, es altamente probable que las moléculas de ARN (ácido ribonucleico) hayan sido las primeras en tener la capacidad de almacenar información, catalizar reacciones y ¡autorreplicarse!

La propiedad que denominamos “vida” es alcanzada a nivel de célula, y un flujo de energía soporta la estructura compleja altamente organizada de los seres vivos.

En la naturaleza, la fotosíntesis y la respiración crean un ciclo en el cual la energía de la luz solar es transformada en energía química, y a través de los alimentos esta energía química es aprovechada por todas las formas de vida del planeta.

En 1937, Hans Adolf Krebs (1900-1981) descubrió un ciclo de reacciones generadoras de energía en las mitocondrias. Es particularmente significativo que todos los procesos de producción de energía y de síntesis de componentes celulares son compartidos por todas las formas de vida. Las aportaciones de Krebs son fundamentales en biología molecular.

La energía sustenta dos procesos clave que son característicos de los seres vivos:

– Almacenamiento de información genética

– Expresión genética finamente regulada

En 1953, James Watson (1928- ) y Francis Crick (1916-2004) propusieron la estructura de doble hélice para la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico), la molécula portadora de la información genética.

Fotografía de Watson y Crick con su modelo tridimensional del ADN. Fuente: thehistoryblog.com

Los genes son ADN y la información está codificada en la secuencia de cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T) –un alfabeto químico de cuatro letras.

Fue un descubrimiento trascendental por el profundo significado que la transferencia de información tiene en todos los procesos biológicos. Sugirió de inmediato la posibilidad de manipular genes por modificación de secuencias de bases. El desarrollo de esta manipulación dio origen a la tecnología del ADN recombinante –tecnología para manipular ADN–, de la cual surgieron dos nuevos campos de la biología: la ingeniería genética y la genómica.

La ingeniería genética es la colección de metodologías aplicadas a la manipulación de genes. En 1978, Herbert Boyer (1936-) construyó una versión sintética del gen humano de la insulina, el cual fue insertado en la bacteria Escherichia coli, y utilizado para producir insulina a escala industrial. Desde entonces han sido desarrollados productos diversos, como vacunas y fármacos en alimentos, cultivos y ganado transgénicos, células genéticamente modificadas para aplicaciones médicas, fertilización asistida para producir bebés de probeta… incluso la clonación de mascotas.

La biología es actualmente un área que genera cantidades enormes de datos, muchos más de los que es posible procesar y analizar, por la aplicación de metodologías de alto producto total en experimentos automatizados. Los avances científicos y tecnológicos en genómica y bioinformática han sido notables.

La genómica es la investigación de genomas con tecnología de alto producto total.

El genoma es la secuencia de bases de todo el ADN de un organismo. Es como “el libro de la vida”, en el que la información está codificada en las secuencias de cuatro bases nitrogenadas. El genoma de cada organismo contiene la información necesaria para construir completamente a ese organismo.

La genómica comparada puede incluso resolver el origen y la evolución de las especies. Por ejemplo, la identidad genómica entre Pan troglodytes (chimpancé) y Homo sapiens es cercana a 98 %, y en la diferencia está la clave de lo que nos hace humanos, que es principalmente la estructura y la función del cerebro.

En 2003 concluyó el Proyecto del Genoma Humano. Desde entonces, el mapa completo del genoma humano ha estado accesible en la base pública de datos del Wellcome Trust Sanger Institute. En opinión de William Clinton: “Es el mapa más importante, el más extraordinario logrado en toda la historia de la humanidad.” El análisis de esta información ha creado la expectativa de revolucionar la medicina y la posibilidad real de rediseñar el genoma humano.

Actualmente está siendo elaborado un catálogo de todos los genes contenidos en el genoma para investigar su regulación. Si los genes codificaran notas musicales de partituras, la regulación de la expresión genética equivaldría a ejecutar la Sinfonía de la vida.

Otro proyecto de importancia descomunal está en proceso. En 2007, la IBM (International Business Machines) y la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suiza, completaron la fase I del Proyecto Blue Brain. Los 8192 procesadores de la supercomputadora Blue Gene, la de mayor capacidad computacional en el mundo cuando fue instalada, fueron utilizados para modelar en tres dimensiones la estructura de una columna neocortical, la unidad funcional de la corteza cerebral, a nivel de las más de 10 mil neuronas que la forman y los 30 millones de sinapsis –i. e. conexiones– que contiene.

Imagen: Blue Gene/Q. Se espera que para 2019 pueda simular un cerebro humano, formado por 20 mil millones de neuronas y unos 200 billones de sinapsis.

Al expandir posteriormente el proyecto a las más de 1 millón de columnas que constituyen la corteza cerebral, los científicos esperan construir un modelo biológicamente exacto del cerebro humano entero, el cual permitirá simular el funcionamiento del cerebro a nivel celular y su regulación por neurotrasmisores.

La arquitectura general de la corteza cerebral está determinada genéticamente; pero el ambiente, la experiencia y la educación modifican la conectividad neuronal durante toda la vida. La conectividad neuronal y la función finamente regulada de la corteza cerebral permiten crear el arte, las matemáticas exactas, el lenguaje, la ciencia, la tecnología y toda expresión del intelecto humano, además de permitirnos recordar, reflexionar sobre el pasado y planear para el futuro.


Examen de repaso

18. En 1665 publicó Micrographia, obra en la que incluyó la palabra en latín cellula para describir una cavidad repetitiva en una lámina de corcho, por analogía con la celda pequeña de un monje.

Su obra marcó el inicio de la biología celular:

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19. En 1674, utilizando un microscopio de una sola lente, capaz de amplificar imágenes por aproximadamente 250 veces, observó los numerosos microbios que vivían en una gota de agua:

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20. En 1687 publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, la obra clásica en la que están enunciadas las leyes del movimiento de los cuerpos y la ley de gravitación universal:

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21. En 1735 publicó Systema Naturae, obra en la que propuso un sistema de clasificación por niveles y aplicó la nomenclatura binomial por género y especie para el estudio de todos los seres vivos:

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22. Enunció la versión inicial de la ley de conservación de la masa: "La materia no se crea ni se destruye, solamente se transforma." Además, en 1791 introdujo el Sistema Métrico:

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23. Su principal contribución científica fue haber descubierto que la evolución es un proceso conducido por selección natural:

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24. El origen de la humanidad está en África. Hace 2.4 millones de años, el género Homo evolucionó del género Australopithecus. ¿Cuál es el nombre científico de la primera especie humana?

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25. Hace 1 millón de años, la humanidad estaba representada por esta especie, una de cuyas adaptaciones al ambiente fue haberse convertido en cazador.

De ella evolucionaron tres especies diferentes de Homo que habrían de poblar tres continentes:

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26. Hace 100 mil años, Europa estaba poblada por:

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27. En 1864 realizó un experimento sencillo e irrefutable que terminó con la creencia en la generación espontánea de la vida:

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28. Una de sus conclusiones más famosas es la equivalencia de masa y energía:

La energía (E) es igual a la masa (m) por el cuadrado de la velocidad de la luz (c), un conocimiento científico elemental para entender la energía solar y el funcionamiento de las estrellas:

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29. Los elementos que constituyen a los seres vivos son principalmente: hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio, fósforo, cloro, potasio, azufre, sodio, magnesio, hierro…

¿En dónde se formaron esos elementos?

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30. Es altamente probable que hayan sido las primeras moléculas en tener la capacidad de almacenar información, catalizar reacciones y ¡autorreplicarse!

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31. Es el nivel de organización más simple en el que se encuentran presentes todas las propiedades que en conjunto denominamos vida:

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32. En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron la estructura de doble hélice para la molécula de:

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33. La arquitectura general de la corteza cerebral está determinada genéticamente, pero la conectividad neuronal es modificada durante toda la vida por:

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34. Es la investigación sistemática de la naturaleza para obtener conocimiento verdadero, en armonía con la razón, experimentalmente verificable.

Es también el acervo de conocimiento producido por esa investigación:

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35. Es el conjunto de todos los medios que la humanidad ha utilizado para modificar la naturaleza:

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36. Su campo de estudio es la naturaleza:

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37. ¿Cuál de las siguientes opciones no es una característica de los seres vivos?

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