Biología básica: fundamentos y principios

La palabra biología –del griego bios, vida y logos, estudio- fue acuñada hace más de doscientos años; la Biología tuvo sus orígenes como una disciplina meramente observacional y era de tipo naturalista, razón por la cual era denominada “historia natural”, actualmente se desarrolla dentro del marco del método científico, y es definida como una rama de las ciencias que tiene como objetivo identificar todas las causas relacionadas con los diferentes procesos que ocurren en la naturaleza y que inciden de diferentes maneras sobre el mundo vivo. Dentro de la biología se considerando que es muy poco probable que un fenómeno responda a una única causa, su análisis con frecuencia se vuelvo un poco complejo. Esta complejidad hace que se tengan que emplear múltiples enfoques para poder explicarlos, dado que se requiere caracterizar procesos y patrones a diferentes escalas de espacio y tiempo.

Se puede decir que los fundamentos de la biología iniciaron como un compendio de ideas y observaciones que trataban de explicar la noción de vida: ¿Cómo se explica qué algo está vivo?, ¿Qué atributos debe tener para considerarlo como tal?, ¿Cuál es el origen de tantas formas diferentes de vida?, ¿Cómo se reproducen? Los primeros trabajos se enfocaron en responder estas preguntas y eventualmente surgieron conceptos y teorías que permitirían estructurar los conocimientos dentro de la biología.

El primer debate consistió en definir cuáles deberían ser los atributos que debería de poseer un ente para que se le considerara vivo.

Características biológicas fundamentales de los organismos vivos

Un organismo es una forma de vida -uni o pluricelular- que comparten características fundamentales en común, éstas permiten considerarlos como entidades “vivas”:

– Emplean una fuente de energía para seguir vivos y reproducirse. Por ejemplo, un pasto marino usa la energía luminosa para realizar fotosíntesis.

– Están formados por una serie de unidades, -más o menos independientes- encerrados por membranas, conocidas como células.

– Poseen información genética hereditaria codificada en los genes que el organismo emplea para renovar continuamente sus órganos (por ejemplo la piel) y que también responde a las condiciones del medio ambiente inmediato.

– Tienen la facultad de la replicación, como por ejemplo los virus o las bacterias.

– Son producto de la evolución y cada nuevo conjunto de organismos (población) tendrá la capacidad intrínseca de continuar evolucionando.

Aunado a esto surgieron las preguntas: ¿De qué está formada una célula? Y ¿Cuál es su origen? Con el surgimiento de la teoría celular y la teoría de la evolución se pudo abordar estas preguntas. Actualmente, ambas teorías son consideradas como fundamentos clave que contribuyeron en la unificación de la biología.

Principios unificadores de la biología

Teoría celular

Surgió en 1665, tras las observaciones realizadas por Robert Hooke. Hooke empleó un microscopio simple para estudiar el corcho, que es el tejido de la corteza del árbol del roble. Este experimento le permitió observar los pequeños compartimentos del corcho -imperceptibles a simple vista- y los denominó células. Posteriormente Anton Van Leeuwenhoek construyó un microscopio con una capacidad de amplificación de 300 aumentos con el que estudió una muestra de agua, en ella apreció la existencia de una amplia variedad de organismos unicelulares a los que llamó “animálculos”. También realizó y registró sus observaciones de la estructura de las células sanguíneas humanas y de los espermatozoides. En 1670, después de un estudio de tallos y hojas de plantas, se llegó a la conclusión de que estaban formadas por células individuales. Conforme se realizaban avances en el campo de la microscopía, a inicios del siglo XIX se pudo declarar que todos los organismos estaban formados por células.

Desde el punto de vista de la biología contemporánea una célula es definida como un compartimento dividido en estructuras perfectamente organizadas denominadas organelos (núcleo, nucléolo, mitocondrias, etc.) que están inmersos en sustancias químicas concentradas en una solución acuosa y que se encuentran rodeados de una estructura delgada llamada membrana plasmática. Del estudio de cada uno de los organelos se pudo determinar que todas las reacciones que sustentan la vida, ocurren dentro de la célula.

La segunda parte de la teoría celular proviene de la respuesta a las interrogantes: ¿Cuál es el origen de las células de un organismo?, ¿De dónde proceden? Para lo cual se enunció la hipótesis de que “Una célula sólo procede de otra célula” por parte del alemán Rudolph Virchow. La respuesta y confirmación de ésta provino del experimento de Louis Pasteur, él se propuso comprobar experimentalmente las hipótesis de la generación espontánea contra la que enunciaba que una célula sólo tiene su origen a partir de otra célula.

El popular experimento de Pasteur, realizado en un matraz de cuello de cisne, permitió llegar a la conclusión de que “las células solo nacen de otras células previas, no espontáneamente a partir de materia no vida”.

La segunda teoría y fundamento que dio origen a la biología fue propuesta, de manera independiente, por los ingleses Darwin y Wallace. Fue detallada de manera extensiva en el libro “El origen de las especies” de Charles Darwin.

Teoría de la evolución por selección natural

Esta teoría resultó muy controversial para el avance de la biología y experimentó un proceso de desarrollo similar al de la teoría celular, fue enunciada al mismo tiempo que ella y formulaba dos afirmaciones que generaron debates en su época:

– Las especies comparten ancestros comunes, en contraposición con la idea del origen divino.

– Las características de las especies cambian de una generación a otra. Esta teoría se oponía a la idea de la permanencia inalterada de las especies a lo largo del tiempo (y de generación en generación).

Por medio del trabajo de varios científicos (además de Darwin y Wallace) se pudo proponer un modelo que explicaba la relación entre especies y de cómo opera la evolución, este proceso se denominó selección natural y se establecieron las premisas que permitieron entender cómo ocurren los procesos evolutivos:

– Los individuos de una población varían en función de características heredables.

– En ambientes específicos, ciertas variantes (versiones) de un mismo rasgo heredable les ayuda a incrementar su sobrevivencia o sus posibilidades de dejar descendencia.

Por ejemplo las polilla del abedul; ésta especie, antes de ser sometida a un ambiente lleno de contaminación flotando en el aire, solía ser blanca, posterior a la industrialización (en Inglaterra) surgieron ejemplares que se tornaron oscuros o moteados con el objeto de disminuir el número de depredadores. Con el tiempo la población casi en su totalidad se tornó oscura. Este fenómeno constituye en la biología el ejemplo más claro de cómo opera la selección natural.

La idea básica es que, si una variación de un rasgo que es heredable genera un mayor éxito en la probabilidad de dejar descendencia, entonces se incrementará la frecuencia de ese rasgo en la población. Este es un concepto clave en la biología: la evolución acurre a nivel de individual pero el cambio sólo afecta a la población.

Al mismo tiempo que se propuso el concepto de selección natural surgieron conceptos como fitness y adaptación. Fitness se refiere al éxito biológico de dejar a) una descendencia viable y que, a su vez, sea capaz de reproducirse y b) que sea una descendencia numerosa. Adaptación: desde el punto de vista biológico, es un rasgo que incrementa la eficacia biológica de un individuo en presencia de un ambiente determinado.

Posterior al reconocimiento del proceso de selección natural, que opera en todas las poblaciones, se documentó también un fenómeno que consistía en la divergencia de las poblaciones por efecto de la selección natural, y que hacía que de una especie surgiera de otra, este proceso fue denominado especiación. Las investigaciones sobre este fenómeno proporcionaron evidencia de que todas las especies son el resultado de especies previas y que todas comparten un único ancestro en común.

La teoría celular y la teoría de evolución (y la selección natural) facilitaron el entendimiento y la conexión entre todos los procesos que ocurren entre todas las especies, de manera que se consideró que usando los principios unificadores de la biología se debería poder reconstruir el árbol genealógico o árbol de la vida de todos las especies actuales y pasadas.

Árbol filogenético o árbol de la vida

Con la generación de un árbol de la vida o árbol filogenético debería de poderse describir las relaciones de parentesco de todas las especies que han habido -hasta los tiempos actuales- en la tierra y en el que se debería de considerar “una especie ancestral en la base”. Con esto se introdujo en la biología el término filogenia (origen de la tribu), que se refiere a las relaciones genealógicas entre todos los organismos.

Este gran avance ocurrió cuando se planteó la idea de que se comenzaran a analizar los componentes químicos de los organismos como un medio de entender cuáles eran las relaciones evolutivas que compartían. Para ello se propuso que se estudiaran las moléculas que estuvieran presentes en todos los organismos, la molécula elegida fue el ARN ribosómico (ARNr), componente esencial requerido por las células para crecer y reproducirse.

El ARNr posee una estructura sencilla compuesta por una secuencia de cuatro nucleótidos (ribonucleótidos) identificados con las letras A (adenina), G (guanina), C (citocina) y U (urasilo) y cuya secuencia no es idéntica entre los organismo (ni siquiera entre los individuos de la misma especie). El antecedente bajo la que se realizó la propuesta fue que si todos los organismos provenían de un ancestro común, deberían de presentarse secuencias similares entre todos aquellos que tuvieran una estrecha relación de parentesco, pero no tanto entre los que no fueran tan cercanos.

Esta premisa fue puesta a prueba estudiando el ARNr de diferentes especies; el objetivo era crear un diagrama que reflejara la filogenia de los organismos estudiados. Eventualmente la creación de estos árboles filogenéticos ha permitido establecer el proceso evolutivo que han sufrido las especies, en los que las ramas más cercanas representan especies estrechamente relacionadas y con un ancestro común; mientras que las más lejanas reflejan divergencias ocurridas en un tiempo lejano, por lo cual se sugiere que se trata de especies que se separaron en un momento temprano del proceso evolutivo.

A partir del surgimiento de la filogenia como una rama primordial en el estudio de la biología de un organismo, emergió otra rama que se enfocó en clasificar los grupos de organismos llamada taxonomía. Ambas ramas, se encargan de facilitar la comprensión de la diversidad de organismos conocidos hasta la fecha.

Actualmente sabemos que la biología es una rama de la ciencia de enfoque multidisciplinario, para cada pregunta que surge existen diferentes respuestas legítimas posibles, que dependerán del principal objetivo que persigue la investigación y del planteamiento y la pregunta original inicial.