Tiempo, vida y muerte

La vida está hecha de tiempo. Los organismos pueden considerarse, más que cosas sólidas, procesos: un organismo no es más que una reunión efímera de moléculas. La biología no tendría objeto de estudio si no existieran el cambio y la muerte. Son incontables las estructuras y procesos biológicos que están relacionados con la muerte y su evitación: las garras y dientes de los depredadores, los mecanismos del suicidio celular, la reproducción de las células, el envejecimiento, las mentes que predicen el futuro... La evolución es posible por la muerte, se alimenta de las muertes precoces de la mayoría de los individuos: ésa es la base de la selección natural. La muerte tiene ventajas, ofrece a la vida el regalo de su incesante renovación, su capacidad para adoptar formas tan diversas y complejas.

De las complejas y esenciales relaciones entre tiempo, vida, muerte y organismos tratan los escritos de los científicos argentinos Fanny Blanck-Cereijido y Marcelo Cereijido. Son textos profundos y lúcidos, que hablan de cómo en los últimos siglos se ha ido incorporando la comprensión de fenómenos tales como la muerte, el tiempo y el envejecimiento en la biología, en el marco de la biología evolutiva y de la física de sistemas complejos. Recomiendo la lectura del artículo "La vida y el tiempo" y de los libros "La vida, el tiempo y la muerte" y "La muerte y sus ventajas". En ellos, además de aportar numerosos datos científicos, reflexionan intensamente sobre la naturaleza del tiempo.

Los organismos presentan incontables ritmos (podéis leer el espléndido artículo "Ritmos biológicos", de Jorge Escandón), desde los femtosegundos (la milbillonésima parte de un segundo) que duran las reacciones bioquímicas hasta los millones de años de la evolución de especies y ecosistemas. Cada organismo contiene incontables ritmos independientes: el ritmo de renovación de las células epiteliales del intestino, el latido del corazón, el ciclo de sueño-vigilia, la menstruación, los periodos de hibernación y actividad, el crecimiento y la caída de las hojas de los árboles, etc. Cada uno de esos ritmos es un reloj, pero, ¿qué es un reloj?

Paso a copiar un texto de George Musser, aparecido en el número de este mes de noviembre de la revista "Investigación y Ciencia", que aborda la cuestión:

"Los relojes de sol y los de agua son tan viejos como la civilización. Los relojes mecánicos se remontan a la Europa del siglo XIII. Pero aquellos artefactos nada hacían que la naturaleza no hiciera ya. La Tierra es un reloj porque gira. La mitosis celular es un reloj. Los isótopos radiactivos son relojes. Dicho de otro modo, el origen de los relojes no es un tema de historia, sino de física. Y con ello empiezan los problemas.

Podría creerse, inocentemente, que un reloj es un objeto que nos da la hora, pero según los dos pilares básicos de la física moderna el tiempo cronológico no es algo que pueda medirse. La teoría cuántica describe cómo cambia el mundo en función del tiempo. Nosotros observamos esos cambios e inferimos el paso del tiempo, pero en sí el tiempo es intangible. La teoría de la relatividad general de Einstein va más allá y afirma que el tiempo carece de significación objetiva. De hecho, el mundo no cambia con el tiempo: es un gigantesco reloj parado. Tan extravagante revelación se conoce como el problema de la congelación del tiempo o, sencillamente, problema del tiempo.

Si los relojes no informan del tiempo, ¿de qué informan? Lo que nosotros percibimos como "cambio" no es una variación con el tiempo, sino un patrón que crean los componentes del universo; el hecho, por ejemplo, de que cuando la Tierra ocupa una cierta posición en su órbita, los demás planetas ocupen otras posiciones concretas en las suyas. Julian Barbour desarrolló esa visión relacional del tiempo en el trabajo que resultó ganador en 2.008 del concurso de ensayos del Instituto de Cuestiones Fundamentales.

Sostiene Barbour que, a causa de los patrones cósmicos, cada pieza del universo es un microcosmos del total. Podemos emplear la órbita de la Tierra como referencia para reconstruir la posición de los otros planetas. En otras palabras, la órbita de la Tierra sirve como reloj. No informa del tiempo, sino de las posiciones de los otros planetas. Según razona Barbour, todos los relojes son aproximativos; ninguna pieza de un sistema es capaz por sí sola de captar la totalidad del conjunto. Todo reloj antes o después pierde un batido, retrocede o se agarrota. El único reloj genuino es el mismo universo. En cierto sentido, los relojes carecen de origen. Siempre han estado aquí. Son ellos los que hacen posible que haya una idea de "origen"."

Transplantes entre organismos de distintos reinos

Si leísteis el post "Quimeras", que publiqué hace unos días, y os sorprendieron los extraños entes que pueden formarse, ¿qué me decís de esto?: "Los injertos planta-animal o transplantes inter-regni", artículo escrito por Xavier Lozoya Legorreta, en el número de octubre de 1.995 de la revista mexicana Ciencias.

Mente y cerebro (II): ¿Física cuántica en los microtúbulos?

Yo entiendo muy poco de física cuántica, razón por la cual me encanta leer textos que hablen de ella, así como del origen y el destino del universo, la teoría de todo, etc. El fondo esotérico de esos temas me atrae mucho, y además, como no comprendo bien los razonamientos, me sirven de base para imaginar cosas. Bueno, es que además esos misterios son los que han interesado más profundamente a la humanidad desde sus inicios.

Quizá el misterio más difícil de resolver es el de quiénes somos. En la vida experimentas alguna vez el asombro de pensar por qué tú eres tú. Es una pregunta que te puedes formular tranquilamente en clave filosófica, pero yo al menos he experimentado la sensación real, el vértigo de esa pregunta cuando era niño, dos o tres veces. También una vez experimenté el vértigo de pensar por qué existe algo en vez de nada, también en la infancia. Los niños parecen ser los mayores expertos en metafísica, quizá porque están muy cerca de su propio origen.

El misterio de la conciencia, de cómo puede surgir la mente consciente de una realidad que aparentemente es ajena a su naturaleza, está siendo por primera vez en la historia investigado por la ciencia, aunque aún no sabemos si ésta es un marco explicativo adecuado para entenderla (quizá no lo sepamos nunca, pero yo soy de natural optimista). Se han realizado experimentos para mostrar cuándo y cómo reacciona el cerebro ante la experiencia o la decisión consciente. Otros buscan desentrañar los circuitos cerebrales implicados.

La teoría más sugerente del origen de la mente es la formulada inicialmente por el matemático y físico británico Roger Penrose. Postula que la física subyacente en el funcionamiento de la mente consciente es aún desconocida, que la teoría que la describa debe ser fruto de la unión entre la teoría de la gravedad y la física cuántica y que el funcionamiento del cerebro no es algorítmico, es decir, no puede ser especificado como un mero cálculo, mediante un dispositivo mecánico o un programa de ordenador. Penrose piensa que, con los métodos mecánicos y la simple electrónica de la mayoría de los buscadores de la Inteligencia Artificial nunca se podrá construir una mente consciente y sintiente.

Para tener unas bases mínimas para la comprensión y el juicio de su teoría, creo que al menos hay que leer sus libros enteros. Pero de todas formas, pienso que cualquier biólogo puede encontrar interesantes los capítulos en que describe el sistema nervioso y su funcionamiento, cómo se transmite el impulso nervioso y se forman nuevas sinapsis, los fenómenos tan desconcertantes que ocurren cuando se secciona la unión entre los dos hemisferios cerebrales y cuando se experimenta acerca de la temporalidad de la conciencia, cómo podrían los microtúbulos y el citoesqueleto ser sedes de fenómenos cuánticos que originaran el surgimiento de la mente consciente, etc.

Os propongo la lectura de "La nueva mente del emperador" y de "Lo grande, lo pequeño y la mente humana".

También podéis leer un artículo de Manuel Béjar en Tendencias 21, una reseña de un libro de otro autor donde se critica la teoría de Penrose más un debate en el foro de la página y un artículo que explica una simulación por ordenador cuyos resultados parecen suponer un varapalo a la teoría de Penrose-Hameroff.

Biología para todos

El Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa ha digitalizado una muy sugerente colección de libros on-line de divulgación biológica, en La ciencia para todos. Abordan una gran variedad de temas (ecología, zoología, biología marina, botánica, medicina, genética, etc.), con un lenguaje asequible y claro, una presentación atractiva y buenas ilustraciones y gráficos. Están escritos por expertos en cada uno de los temas de España y América Latina, que demuestran mucho conocimiento y gran capacidad explicativa.

Quimeras

“La primera noticia de la Quimera está en el libro VI de la Ilíada. Ahí está escrito que era de linaje divino y que por delante era un león, por el medio una cabra y por el fin una serpiente; echaba fuego por la boca y la mató el hermoso Belerofonte, hijo de Glauco, según lo habían presagiado los dioses.”

“...la palabra queda, para significar lo imposible. Idea falsa, vana imaginación, es la definición de quimera que ahora da el diccionario.”

El libro de los seres imaginarios, Jorge Luis Borges y Margarita Guerrero



Chimaeria incomparabilis

En biología, “quimera” es un organismo que presenta características de otros varios. Una de las conchas más valiosas en la actualidad es la llamada Chimaeria incomparabilis, que presenta características intermedias entre las de la familia de las óvulas y la familia de las cipreas o cauríes. Chimaera monstrosa es un extraño pez del grupo de tiburones y rayas, pero con muchos atributos exclusivos. También se llaman quimeras a los restos fósiles que presentan piezas pertenecientes a organismos distintos.

Más espectaculares son las verdaderas quimeras, que son organismos con características nuevas, mezclas de individuos e incluso de especies distintas, con el material genético de los diferentes componentes. Los anticuerpos monoclonales son producidos por una célula híbrida producto de la fusión de un clon de linfocitos B descendiente de una sola y única célula madre y una célula plasmática tumoral, normalmente de ratón. Así se consigue aunar la especificidad del anticuerpo (cada clon de linfocitos B produce un único anticuerpo) con la inmortalidad de las células tumorales. Los científicos han producido además entidades tan extrañas como los organismos “en mosaico”, formados por una mezcla de células de especies distintas. Se han creado embriones quiméricos de cabra y oveja, rata y ratón e incluso, recientemente, de conejo y humano (no se permitió que estos últimos se desarrollaran más allá de unos pocos días). En los últimos años, en el Reino Unido se ha permitido la creación de embriones quiméricos para la investigación en células madre. Para paliar la escasez y las dificultades de la donación de óvulos humanos, se crean embriones insertando en un óvulo de animal (vaca o coneja) despojado de su núcleo el de una célula humana. El animal sólo aporta un puñado de genes, en torno al 1% de los presentes en el individuo, los de las mitocondrias, que se encuentran en el seno del citoplasma del óvulo. Estos embriones deben destruirse, por ley, a los 14 días.

El quimerismo es un trastorno genético, que se cree que se origina cuando dos cigotos, tras la fecundación, se combinan formando uno solo, desarrollándose normalmente. El individuo resultante posee dos tipos de células diferentes, cada una con distinta constitución genética. En la mayoría de los casos reportados, células de órganos o zonas distintas del cuerpo tienen ADN distinto, como si fueran dos personas en una sola.

Corinna Ross, investigadora de la Universidad de Nebraska, descubrió que en los inicios del desarrollo fetal, los mellizos (tanto idénticos como no idénticos) de los titíes comparten suministro sanguíneo y placentas fusionadas, permitiendo un flujo abundante de células fetales entre los miembros de la camada. Saber cómo los monos titíes mantienen la tolerancia inmunitaria a tantas células foráneas a lo largo de la vida ayudaría a los investigadores que tratan de impedir el rechazo humano de los órganos trasplantados.

Según las últimas teorías, esta enfermedad es causada por dos óvulos que han sido fertilizados tras el acto sexual, los cuales, antes de tres semanas, se unen y crean un ser con doble material genético. Puede ocurrir que estos cigotos que se unen sean de diferente sexo, por lo que existe la posibilidad de que el individuo resultante sea un pseudohermafrodita, con células de su cuerpo con genotipo correspondiente a los dos sexos. Asimismo pueden existir casos donde el color de la piel no este definido y pueda tener manchas por el cuerpo.

¿Creéis que estos casos son malformaciones o aberraciones? Pues entonces vosotros mismos sois aberrantes y anormales. Todos poseemos en nuestros cuerpos células que no son nuestras. Además de los billones de células que descienden del óvulo fecundado del que procedemos, poseemos un pequeño conjunto de células procedentes de otros individuos genéticamente distintos. Nuestras madres nos pasan células suyas (microquimerismo materno), de diversos orígenes, a través de la placenta, que no tiene una pared completamente impenetrable. Esas células pueden prosperar en nuestro organismo indefinidamente y migrar a diferentes zonas. También células del feto pueden pasar a la madre y permanecer en ella (microquimerismo fetal). Conforme una madre vaya teniendo hijos, dejará cada vez más de “ser ella misma”, para convertirse en un mosaico de células procedentes de individuos distintos, aunque cercanos genéticamente (con el 50% de sus genes). De todas formas, esta aportación no es demasiado importante y la mujer mantiene, más o menos, su identidad.

Para perdurar muchos años en el otro organismo, entre las células que migran debe haber células madre. Estas células foráneas consiguen muchas veces escapar al ataque del sistema inmunitario del organismo, que debería etiquetarlas como extrañas y destruirlas. No se sabe aún muy bien cómo lo logran. Estas células pueden ser perjudiciales para el organismo que las alberga. La dermatomiositis juvenil es una enfermedad autoinmunitaria que afecta a la piel y los músculos y en la que parecen estar involucradas células de la madre. Un trabajo publicado en 2.004 por Ann M. Reed, de la clínica Mayo, demostró que las células inmunitarias maternas, aisladas a partir de la sangre de los pacientes, reaccionaban contra otras células de esos mismos pacientes. Reed y colaboradores sugieren que la enfermedad surge cuando las células inmunitarias maternas atacan los tejidos del hijo. El lupus neonatal se origina cuando células madre de la madre ingresan en el feto, se integran en el corazón y se transforman en células musculares. El sistema inmunitario del feto reacciona para destruir estas células extrañas y acaba dañando todo el músculo cardiaco. Por otro lado, como las células de nuestra madre son más viejas que las nuestras, es de suponer que sean más propensas a padecer cáncer.

Por otro lado, las células madre extrañas pueden ayudar a reparar lesiones en el organismo que las aloja. Hay pruebas de que las células maternas pueden ayudar a regenerar tejido del páncreas en hijos afectados de diabetes tipo I (enfermedad autoinmunitaria, que ataca sobre todo a niños y jóvenes, eliminando las células beta del páncreas, productoras de insulina).

Las células procedentes del feto pueden causar en la madre enfermedades autoinmunitarias. Éstas suelen ser más frecuentes en mujeres que en hombres, suelen atacar a mujeres de entre 40 y 60 años, después de que muchas de ellas hayan estado embarazadas. Además, los rechazos que aparecen tras los transplantes de órganos o tejidos producen endurecimiento de la piel, destrucción del revestimiento del intestino y daños en los pulmones. Estos síntomas son casi los mismos que los del escleroderma, un trastorno considerado autoinmune. Se ha descubierto que hay más células fetales en las mujeres enfermas de escleroderma que en las sanas, sobre todo en los tejidos más afectados, como la piel y los pulmones. Se ha vinculado también el microquimerismo fetal con otras enfermedades de la madre, como el cáncer de mama (efecto beneficioso) y de cuello de útero y la hipertensión asociada al embarazo. El microquimerismo fetal también podría estimular el sistema inmunitario de la madre, con efectos beneficiosos. Las células inmunitarias fetales también pueden atacar a agentes patógenos, ayudando al sistema inmunitario de la madre. Existen también pruebas de que la artritis reumatoide (inflamación crónica y frecuentemente dolorosa, de las articulaciones) mejora durante el embarazo. Los niveles superiores de microquimerismo fetal en la sangre de la madre guardaban correlación con una mayor atenuación de los síntomas de la artritis reumatoide durante el embarazo.

Nosotros también podemos tener algunas células procedentes de un hermano mellizo, a veces muerto en las primeras etapas de su desarrollo embrionario; también es posible que poseamos algunas células de nuestros hermanos mayores que se incorporaron a nuestra madre cuando estos eran fetos. Se ha comprobado que algunas células de la madre pasan con la leche al bebé lactante. También podrías poseer células directamente procedentes de tu abuela, tu bisabuela, tu tatarabuela... No se sabe si durante el acto sexual se intercambian células de un miembro de la pareja al otro. Por medio de las transfusiones de sangre también se pueden adquirir células somáticas del donante.

En el sistema circulatorio, el microquimerismo fetal o materno es mínimo, pero cálculos basados en el ADN total sugieren que una de cada 100.000 o de cada millón de nuestras células es foránea. Esta proporción puede llegar a ser de varios cientos de células extrañas por cada millón en determinados órganos. Es notable el hecho de que las células fetales y las maternas tiendan a migrar a diferentes órganos y tejidos de preferencia. No se sabe aún si las células de la madre o del feto pueden traspasar la barrera hematoencefálica y llegar al cerebro. Quizá, si es así, una madre pueda experimentar cambios en algunas funciones cerebrales o incluso en su personalidad tras tener embarazos (aunque esto es un poco fantasear demasiado, porque los cambios deberían ser muy pequeños, en el caso de que se produzcan).

La reivindicación de Gaia

Gaia

James Lovelock publicó en 1.979 un libro que tendría un gran impacto mediático y popular: "Gaia, una nueva visión de la vida sobre la Tierra". En él se postulaba la teoría de que la biosfera de la Tierra funcionaba como un todo, influyendo sobre el entorno físico del planeta para que éste fuera lo más habitable posible para los organismos. Esta idea tenía connotaciones teleológicas y muchos interpretaron que los organismos perseguían un "fin" y que actuaban conjuntadamente para defender la viabilidad de la vida. Para otros, la hipótesis de Gaia era poco más que una elegante metáfora: la Tierra en su conjunto era como un organismo vivo global, compuesto por incontables componentes orgánicos (las miríadas de organismos que lo habitan).

El principal problema era explicar la hipótesis de Gaia en términos de selección natural de organismos individuales y en plazos de tiempo muy cortos. Gaia parecía sugerir que se necesitaba de una selección natural a nivel de grandes agrupaciones de organismos. Otro problema era la dificultad de diseñar experimentos o modelos de ordenador para poner a prueba a la teoría.

En los últimos años, la teoría de Gaia es cada vez más tenida en cuenta y se van acercando las posturas entre sus defensores y sus detractores. Se están tendiendo puentes para explicar los equilibrios a nivel planetario como productos colaterales de la evolución por selección natural de los individuos. Todo esto se explica muy bien en el artículo de Miguel Ángel Munguía Rosas: "Homeostasis global y selección natural: un juicio para Gaia".

¿Por qué existe el sexo?

Cópula de Malacogaster sp. (familia drilidae, orden coleoptera). Estos escarabajos muestran un dimorfismo sexual muy marcado: la hembra es enorme y larviforme y el macho es pequeño y con aspecto de escarabajo adulto

La capacidad de sentir orgasmos está separada por miles de millones de años del origen de la reproducción sexual, por lo que no puede ser su finalidad. El sexo ha complicado enormemente la historia de la vida. Sin él no habría meiosis, ni machos, ni feromonas, ni guerra entre los sexos, ni peleas por el acceso a las hembras, ni pavos reales con colas esplendorosas, ni seducción, ni flores, ni zonas erógenas, ni fantasías y sueños eróticos, ni pornografía pero tampoco romanticismo, etc.

El sexo, algo que se ha mantenido tanto tiempo y que tiene tanta importancia para miríadas de organismos, debe de servir para algo, pero aún no sabemos muy bien para qué.

Me he encontrado estos días con dos artículos antiguos que abordan el tema (pero son interesantes porque todavía no contamos con respuestas definitivas):

- ¿Y el amor qué tiene que ver?, de Richard E. Michod.

- Biología evolutiva de la reproducción en plantas (EGUIARTE FRUNS, LUIS E.; NUÑEZ FARFAN, JUAN; DOMINGUEZ, CESAR; CORDERO, CARLOS)

Un artículo más reciente es: ¿Por qué existe el sexo? , de Manuel Serra.

También es interesante leer este articulillo:

"Los científicos miden el alto coste del sexo HENRY GEE , Londres ( 22-03-00)

El sexo es un asunto costoso. Es algo más que flores, veladas extravagantes, facturas del colegio y divorcio; el sexo puede costar la vida y destruir especies enteras. De hecho, el sexo es tan costoso que algunos biólogos, desde la perspectiva de la evolución, se han preguntado cómo es que tantas especies pueden afrontar un lujo tan peligroso, o incluso cómo pudo evolucionar. Un equipo de investigadores británicos ofrece una explicación en la revista Nature .
Cuando los biólogos hablan de sexo, se refieren a la reproducción sexual y la comparan con la estrategia alternativa de la reproducción asexual, es decir, sencillamente hacer clones de uno mismo. Ante esto, la reproducción asexual parece una estrategia mejor para la propagación de una especie, ya que cada individuo puede clonarse a sí mismo tanto como quiera, mientras que en las especies sexuales sólo las hembras tienen crías. Los machos son insignificantes y las hembras tienen que hacer el doble de trabajo que los individuos de una especie asexual para mantener el número de miembros de la suya. En principio, las especies asexuales deberían barrer a las sexuales. Sin embargo, las especies sexuales están por todas partes, no se extinguen por la presión de los clones reproductivamente más eficaces de las asexuales. La explicación habitual es que la variación de las especies sexuales supera el coste de los machos. Los clones se parecen demasiado unos a otros, mientras que el sexo mezcla los genes de los progenitores y mantiene la variedad genética de las crías, de manera que las especies conservan la flexibilidad tan útil para la adaptación ante los cambios de circunstancias. Pero hay un problema: la variación es una inversión que madura, proporcionando ventajas, tras muchas generaciones, mientras que el coste de los machos es inmediato. Las especies asexuales ganarían mucho antes de que la variabilidad genética de las especies sexuales tenga oportunidad de demostrar sus ventajas. Patrick Doncaster y colegas, (Universidad de Southhampton, Reino Unido) han abordado el dilema observando cómo compiten especies sexuales y asexuales en un entorno con recursos limitados. Ellos han modelizado en ordenador una situación en que las especies sexuales y asexuales compiten por los mismos recursos. Las segundas crían más que las primeras y acaparan más recursos. La perspectiva convencional diría que las especies asexuales acabarían barriendo a las sexuales. Pero no sucede así. La ventaja reproductiva de las especies asexuales no es tan grande como los biólogos habían imaginado debido, primero, a la monotonía de los clones. Cada individuo clónico se parece mucho a otro, de manera que tienden a competir entre sí por los recursos mucho más intensamente que los miembros de las especies sexuales. Segundo, los clones tienden a tener preferencias mucho más específicas que los individuos de las especies sexuales. Inversamente, dado que los individuos de reproducción sexual son variados, ellos compiten menos intensamente entre sí y pueden explotar un rango mucho más amplio de recursos. Así, las especies asexuales no conducen inevitablemente a las sexuales a la extinción, sino que los dos grupos alcanzan un equilibrio en que la mayor capacidad de reproducción de las especies asexuales se contrarresta por su propia monotonía.
© Nature News Service. "

En el excelente sitio de divulgación científica Neofronteras, se explican los últimos resultados obtenidos (enero 2.010), que sugieren que el sexo evolucionó principalmente para eliminar más eficazmente las mutaciones perjudiciales y para lograr más diversidad para sobrevivir al ataque de parásitos y depredadores.

Por último, en "Meiosis: la base del sexo", se ofrece un breve bosquejo del mecanismo más plausible de los propuestos para explicar cómo se originó la reproducción sexual.