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1 LOS SERES VIVOS Características, origen, evolución 2 Los seres vivos. Características, origen, evolución 3 María Busch, María Cecilia Rodríguez, Alejandro José Ambas y José Roberto Dadon LOS SERES VIVOS Características, origen, evolución 4 Los seres vivos. Características, origen, evolución Los seres vivos: características, origen, evolución / José R. Dadon ... [et.al.]. - 1a ed. - Buenos Aires : Del Aula Taller, 2010. 75 p. ; 20x23 cm. ISBN 978-987-1086-45-0 1. Ciencias Naturales. 2. Biología. I. Dadon, José R. CDD 570 Fecha de catalogación: 11/01/2010 1ª edición Enero 2010 Diseño, composición, armado: Ediciones del Aula Taller © 2010 by Ediciones del Aula Taller San Blas 5421, C.A.Bs.As. C1407FUQ ISBN: 978-987-1086-45-0 Queda hecho el depósito de ley 11.723 Prohibida su reproducción total o parcial sin la expresa autorización del editor 5 ÍNDICE I- LA BIOLOGÍA Y SU OBJETO DE ESTUDIO ¿Qué separa lo vivo de lo que no lo es? ¿Acaso se diferencian por las sustancias que lo componen? Polémicas acerca de la naturaleza de lo viviente. Vitalismo y mecanicismo ¿Cuáles son las propiedades emergentes de los seres vivos? ¿Qué cualidades de los seres vivos no se derivan exclusivamente de las de los materiales que los componen? Las preguntas de la biología a lo largo de la historia Desde los primeros hombres: observaciones, descripciones, clasificaciones y preguntas II- ¿CÓMO SURGEN NUEVOS SERES? LA TEORÍA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA De las observaciones al método experimental El experimento de Redi III- UN MUNDO DE DETALLES. LA INVENCIÓN DEL MICROSCOPIO Algunos observadores y sus descubrimientos Preformismo y epigénesis La teoría ovista Charles Bonnet. Un ovista preformacionista Los aportes de la embriología a la discusión. Kaspar Friedrich Wolf Los experimentos de Spallanzani y Needham IV- LOUIS PASTEUR Y EL FIN DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA Repitiendo experiencias y realizando descubrimientos La teoría celular V- EL PROBLEMA DEL ORIGEN DE LAS ESPECIES Los aportes de Carl Linné Las especies “nobles” e “inferiores”. Las ideas de George Louis Leclerc, conde de Buffon Las bases de la teoría de la evolución. Jean Lamarck 7 8 9 11 15 17 19 20 20 23 24 25 26 28 28 29 31 32 34 37 38 40 41 6 Los seres vivos. Características, origen, evolución 45 46 47 48 49 51 52 54 55 57 59 60 63 65 71 72 73 74 VI- CHARLES DARWIN Y LA TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN Los aportes de la geología El viaje del Fitz Roy La influencia de Thomas Malthus El origen de las especies, resultado de un largo trabajo VII- LOS AVANCES EN LA GENÉTICA. LOS CROMOSOMAS: NI PREFORMACIONISMO NI GENERACIÓN ESPONTÁNEA Mendel y las leyes de la herencia La teoría cromosómica No siempre el hijo sale a los padres... VIII- LA TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN HOY. NEODARWINISMO Nuevas hipótesis sobre el origen de la vida. El fin de la teoría de la generación espontánea. ¿Qué transformaciones deberían haber sucedido en los materiales inorgánicos para llegar a originar un sistema viviente? ¿Hay evidencias de que la vida se pudo originar fuera de la Tierra? ¿Hay evidencias de vida en otros planetas? IX- LA RELACIÓN ENTRE LA TEORÍA CELULAR Y LA TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN X- LA BIOLOGÍA, HOY RECAPITULACIÓN ACTIVIDADES BIBLIOGRAFÍA 7 I LA BIOLOGÍA Y SU OBJETO DE ESTUDIO La biología es una ciencia, y como tal se caracteriza por tener un objeto de estudio y utilizar un método ¿Qué significa que tiene un objeto de estudio? Como toda ciencia, la biología intenta responder preguntas, pero no acerca de cualquier cosa, sino respecto a los seres vivos. Una definición tradicional de biología la caracterizaba como “la ciencia que se dedica al estudio de los seres vivos”. Pero, como sucede con muchas definiciones, esa definición incluye conceptos que a su vez deben ser definidos; la más importante de esas definiciones previas es: ¿qué es un ser vivo? A todos nos parece bastante fácil distinguir entre lo vivo y lo no vivo; por ejemplo: un elefante, un mono, el pasto, una rosa, están indudablemente en el primer grupo, mientras que una roca, el aire, o el agua no son considerados seres vivientes. El objeto de estudio de la biología son los seres vivos 8 Los seres vivos. Características, origen, evolución ¿Qué separa lo vivo de lo que no lo es? ¿Acaso se diferencian por las sustancias que lo componen? En cursos anteriores de biología habrán visto que a partir del dióxido de carbono del aire, del agua, de sustancias minerales del suelo y de la energía del sol, las plantas son capaces de elaborar compuestos complejos que forman sus estructuras, mediante un proceso denominado fotosíntesis. A su vez, los animales y otros organismos heterótrofos construyen sus tejidos a partir de materia orgánica proveniente de otros organismos, ya sean plantas u otros animales. Estos procesos de fabricación de material a partir de componentes más sencillos se denominan procesos de síntesis. También habrán visto que cuando un organismo muere, la materia orgánica se descompone por la acción de un grupo particular de organismos, los descomponedores, y se liberan nuevamente el dióxido de carbono y los nutrientes minerales al ambiente. Esta desasimilación también sucede dentro de cada organismo, ya que las sustancias que son ingeridas como alimento no son incorporadas como tales, sino que primero se descomponen en sus componentes mediante un proceso que comienza con la digestión y culmina con la respiración celular. El proceso de reciclado de los componentes inorgánicos a orgánicos, y viceversa, implica que no es la composición química lo que diferencia a los seres vivos de los no vivos. Masa rocosa La composición química no es la que diferencia a los seres vivos de lo no vivo 9 Polémicas acerca de la naturaleza de lo viviente Vitalismo y mecanicismo Durante mucho tiempo se consideró que la naturaleza de lo viviente estaba determinada por una característica propia, no derivada solamente de su composición química. Era difícil pensar cómo propiedades tan complejas como las observadas en los seres vivos, derivaban simplemente de fenómenos físicos y químicos. Según los vitalistas debía haber una “fuerza vital” que regulara los procesos vitales, y consideraban que la estructura de los seres vivos (por ejemplo, el cuerpo humano) era sólo un bastidor donde esta fuerza se manifestaba. Según esta teoría, la existencia de Pinocho no se pondría en duda, ya que habría recibido la fuerza vital del hada madrina. Por otro lado, las teorías mecanicistas, que surgieron principalmente en el siglo XVII, influidas por el racionalismo de René Descartes (1596-1650), planteaban que las funciones vitales podían ser explicadas por las propiedades físicas y químicas de la materia viva, sin recurrir a ninguna sustancia especial. Los mecanicistas mostraban la semejanza entre el funcionamiento del cuerpo y las máquinas: el corazón impulsaba la sangre como una bomba, los brazos actuaban como palancas, los pulmones como fuelles, etc. En el siglo XIX, aunque se contaba con mayor información acerca de los procesos naturales, la polémica continuaba. A medida que se sabía más acerca de los compuestos químicos que se encontraban en los seres vivos, parecía que se acumulaban los argumentos a favor de los vitalistas, ya que muchas sustancias que se encontraban en éstos, no estaban presentes en el mundo inorgánico. Uno de los adherentes a la corriente vitalista fue el célebre Luis Pasteur, que como veremos más adelante, contribuyó al avance de la biología en muchos aspectos. Uno de los argumentos de los vitalistas era que los cambios ocurridos durante la fermentación de jugo de fruta a vino podían ser llevados a cabo sólo por seres vivos (las levaduras). Un experimento que contribuyó a zanjar esta discusión a favor de la postura mecanicista fue la síntesis de urea (sustancia orgánica) a partir de cianato de amonio (sustancia inorgánica) por el investigador Friedrich Wohler (1800-1882).En 1898, los químicos Edward y Hans Buchner (1860-1917 y 1850-1902 respectivamente) extrajeron una sustancia de la levadura que podía producir la fermentación fuera de los seres vivos. A esta sustancia se la denominó ‘zyme’, que en griego significa levadura o fermento. De ahí se derivó el nombre actual de las enzimas. Así quedó demostrado que las reacciones vitales son casos I- La biología y su objeto de estudio 10 Los seres vivos. Características, origen, evolución particulares de reacciones químicas y que pueden reproducirse en condiciones de laboratorio, sin intervención de los seres vivos. Como discuten de Robertis y sus colaboradores en su reconocido tratado de citología general, tanto la teoría vitalista como la mecanicista surgen de la antigua tendencia de los biólogos a separar la forma de la función. Esto puede haberse derivado de la influencia de Aristóteles, en cuya Lógica la forma es una cualidad, pero la función no lo es. Hoy se considera a los organismos vivos de manera integrada: la forma y la función componen una unidad inseparable. Este enfoque, llamado organicismo u holismo, considera que un organismo es más que la suma de sus partes. Esto implica que estudiar por separado cada una de las partes, aunque sea con gran detalle, no permite explicar cómo funciona el todo, el sistema completo. Esto se aplica tanto al mundo vivo como a lo inerte: las propiedades de una molécula de cloruro de sodio son distintas que las de los átomos de cloro y de sodio que se combinan para darle origen. Haciendo una analogía con el funcionamiento de un reloj, si éste es desarmado en sus partes componentes, la observación aislada de éstas no permite inferir el funcionamiento del mecanismo en su conjunto. También se aplica al funcionamiento de los equipos de fútbol, que no son el resultado de la suma de sus individualidades. Cuando se habla del campeonato, se habla de cómo juegan Boca o River, no de cada uno de sus jugadores. Dos ejemplos de que el todo es más que la suma de sus partes 11 ¿Cuáles son las propiedades emergentes de los seres vivos? ¿Qué cualidades de los seres vivos no se derivan exclusivamente de las de los materiales que los componen? Los organismos vivos crecen y se reproducen Una de las características distintivas de los seres vivos es la capacidad de crecer y reproducirse, es decir, de producir material semejante al que los compone, e incluso organismos completos. Mientras que las sustancias inorgánicas para aumentar en cantidad deben disponer de material semejante al que los forma, sólo los seres vivos son capaces de incorporar distintos tipos de sustancias y obtener un producto diferente. O sea, la vida se caracteriza por la capacidad de asimilación y síntesis. Los organismos vivos se desarrollan a partir de otros seres vivos semejantes Los organismos vivos se generan a partir de otros seres vivos. Aunque llevó mucho tiempo llegar a esta conclusión, desechando la teoría de la generación espontánea (véase más adelante), actualmente se acepta que sólo a partir de sustancias inorgánicas no se forman seres vivos. Para convertir el dióxido de carbono, el agua y los nutrientes minerales en material vegetal debe existir previamente una planta capaz de realizar fotosíntesis. Los organismos vivos transmiten sus características a sus descendientes Otra característica de los seres vivos es la capacidad de autorreproducirse, es decir, producir descendientes con características semejantes a sus progenitores. La continuidad de las características de los seres vivos se produce a través de la herencia, es decir, se transmite información de generación en generación. La transmisión de la información se realiza a través del material genético. Los sistemas biológicos son sistemas abiertos Los sistemas biológicos funcionan esencialmente a través de reacciones físico-químicas, pero tienen una característica importante, y es que son sistemas abiertos, es decir, funcionan mediante el intercambio de materia y energía con el medio ambiente. Para la síntesis de nuevos materiales hace falta ingresar los ingredientes desde el exterior del sistema y, en último término, éstos serán devueltos al medio. I- La biología y su objeto de estudio 12 Los seres vivos. Características, origen, evolución Las transformaciones de la materia van siempre acompañadas de transferencias de energía: en los procesos de síntesis se requiere el aporte de energía, mientras que en las desasimilaciones se libera energía; ejemplos clásicos de desasimilaciones son la respiración y la combustión. La mayor parte de la energía que es utilizada para el funcionamiento de los seres vivos proviene de la luz solar. La energía lumínica como tal no puede ser utilizada por la mayoría de los seres vivos, sino que debe ser incorporada en los enlaces de compuestos químicos, proceso que ocurre durante la fotosíntesis. A diferencia de las transformaciones de la materia, que se producen sin pérdidas, las de la energía son imperfectas, y parte se pierde o disipa en forma no aprovechable. Por eso, sólo una parte de la energía asimilada por las plantas puede pasar a niveles tróficos superiores. La transferencia de energía entre los niveles tróficos Figura 1. En un sistema cerrado únicamente se inter- cambia energía con el entorno, mientras que en un sistema abierto se intercambian tanto energía como materia. siempre es incompleta, parte se disipa como calor. Por otro lado, cuando un organismo muere, la energía contenida en sus compuestos orgánicos es utilizada por distintos tipos de organismos descomponedores, que terminan de degradar la materia a compuestos inorgánicos. 13 En conclusión, el mantenimiento de la vida depende de la existencia de una fuente de energía, como el sol. Si bien hay organismos particulares que obtienen energía de otras fuentes, como las bacterias de aguas termales, o las bacterias fotoquímicas, esos organismos constituyen un grupo muy reducido. Los seres vivos reciben información del medio ambiente y pueden responder de acuerdo a ésta Además de materia y energía, los seres vivos tienen la capacidad de intercambiar información con el medio ambiente, y de responder de acuerdo a ésta. Hasta los organismos con los órganos más rudimentarios reaccionan frente a determinados estímulos: las planarias cambian su dirección de movimiento según la acidez del medio, las partes aéreas de las plantas crecen hacia la luz, las raíces crecen hacia la tierra, las hojas de las plantas carnívoras se cierran cuando se posa una mosca sobre ellas, el león detecta el olor de la presa, y a su vez ésta detecta al león, y ambos reaccionan de acuerdo a lo que percibieron. Si bien los mecanismos con que se registran los estímulos ambientales y las capacidades de respuesta frente a ellos son muy variables según los grupos, la existencia de unos y otros es un rasgo común a todos los seres vivos. Los seres vivos tienen la capacidad de regular lo que entra y sale de su organismo, y de mantener su medio interno dentro de límites más o menos constantes Los organismos vivos intercambian materiales y energía con el medio, pero, a diferencia de lo que sucede con los sistemas inorgánicos, existe una regulación de ese intercambio. Es decir, se permite el ingreso o egreso diferencial de sustancias. La capacidad de regular el ingreso y el egreso de sustancias al organismo, permite mantener un medio interno distinto del externo y con características más o menos constantes. Esta capacidad de regular el medio interno, a pesar de cambios en el medio externo, es denominada homeostasis, y es una característica fundamental para el funcionamiento correcto de muchos órganos, como el cerebro del hombre (un exceso de temperatura, o la falta de azúcar, provocan daños que pueden llegar a ser irreversibles), o para mantener la circulación de la sangre evitando que se congele en lugares con muy bajas temperaturas. Sin esta capacidad de mantener el medio interno en forma independiente del externo,el hombre no podría haber habitado gran parte de la tierra. Sin embargo, esta capacidad de regulación tiene costos y límites. Si las condiciones del medio llegan a valores muy extremos, o duran mucho tiempo, la capacidad de homeostasis no alcanza para mantener el medio interno. I- La biología y su objeto de estudio 14 Los seres vivos. Características, origen, evolución Los seres vivos atraviesan ciclos vitales Si bien la vida se ha mantenido durante millones de años, los organismos individuales muestran ciclos vitales a lo largo de los cuales nacen, crecen, se desarrollan y mueren. Aunque hay gran variación en la duración de la vida, desde árboles que tienen más de 4000 años a organismos que viven sólo un día, todos los seres vivos finalmente mueren. Los seres vivos muestran variabilidad y tienen capacidad de evolucionar Si bien dijimos que los seres vivos tienen la capacidad de transmitir a sus descendientes sus características principales, no todos los organismos son exactamente iguales. Incluso entre individuos pertenecientes a una misma especie existen variaciones. De acuerdo al medio en que se desarrollen, la supervivencia y el éxito reproductivo de los individuos que mejor se desempeñen será mayor, y por lo tanto en la descendencia esas características tenderán a aumentar su frecuencia. Todos los seres vivos están formados por células La idea de que todos los organismos están constituidos por una o más unidades morfológicas y fisiológicas similares, las células, es uno de los principios fundamentales en biología. La teoría celular afirma que: 1) todos los organismos están constituidos por una o más células; 2) las reacciones químicas de los seres vivos ocurren dentro de las células; 3) las células se originan de otras células; y 4) las células contienen la información hereditaria de los organismos de los cuales forman parte. ¿Qué son los virus? Los virus comparten algunas de las propiedades de los seres vivos. Tienen una composición química definida (proteínas y ácidos nucleicos), poseen variabilidad, son capaces de evolucionar. Sin embargo, difieren en otras cosas de los seres vivos: no están formados por células y sólo se reproducen utilizando los procesos metabólicos de una célula huésped. Por ello, no pueden ser considerados seres vivos, pero también son diferentes de la materia inerte. Actualmente se considera preferible incluirlos en una categoría propia. 15 Las preguntas de la biología a lo largo de la historia Toda ciencia se caracteriza porque intenta responder preguntas. La clase de preguntas depende de la ciencia particular, y como vimos, en el caso de la biología están relacionadas con su objeto de estudio, los seres vivos. Las preguntas que se pueden formular son muchas, y siempre dependen del grado de conocimiento alcanzado, del marco filosófico, de las necesidades de las sociedades y de las características individuales de los investigadores. También las respuestas planteadas a estas preguntas, llamadas hipótesis, dependen en gran medida de las circunstancias en que se desarrolla la investigación, del grado de conocimiento alcanzado y de los paradigmas imperantes. Un conjunto de hipótesis relacionadas entre sí que intentan explicar un determinado fenómeno de la naturaleza constituye una teoría. Cuando estas han sido puestas a prueba repetidas veces, sin ser descartadas, pueden constituirse en leyes. Una ley es un hecho, o una explicación para un conjunto de hechos ampliamente aceptada porque se ha comprobado repetidas veces su cumplimiento, es decir, no ha podido ser rechazada. Recordemos que ninguna teoría científica puede considerarse como totalmente cierta; sus explicaciones acerca de fenómenos de la realidad son aceptadas en forma provisoria, y a lo largo de la historia van siendo reemplazadas. Se mantienen como válidas hasta tanto nuevos hechos no demuestren su falsedad. Las teorías fuertemente afianzadas y aceptadas en determinado momento constituyen un paradigma. Los cambios de paradigma van asociados a grandes cambios en el pensamiento científico, pero se producen sólo luego de largos procesos de acumulación de evidencias que entran en conflicto con lo que sostiene Desde la Prehistoria los seres humanos han estado en contacto con la naturaleza, formulándose preguntas y dando explicaciones I- La biología y su objeto de estudio 16 Los seres vivos. Características, origen, evolución el paradigma vigente. Generalmente, al principio estas evidencias en contra del paradigma vigente son rechazadas por absurdas, o se aduce que derivan de errores metodológicos. Finalmente, al aparecer muchos resultados conflictivos, o algún descubrimiento nuevo que pone en evidencia sin lugar a dudas la falsedad de la teoría vigente, se reemplaza el paradigma por otro nuevo. Por último, la forma de responder a las preguntas también varió a lo largo de la historia, dependiendo como en los casos anteriores del contexto, y, en gran medida, de los avances tecnológicos. Uno de los hitos más importantes en la historia de la biología fue el invento del microscopio en el siglo XVII, que permitió descubrir la existencia de organismos vivos y estructuras muy pequeñas, llevando al desarrollo de la teoría celular. Para poder plantear teorías o explicaciones acerca de los fenómenos de la naturaleza, fue necesaria una acumulación de conocimiento previo. El desarrollo de las ciencias naturales necesitó de una etapa descriptiva, de conocimiento de los sistemas. No es posible plantearse hipótesis muy sofisticadas si no se conoce el sistema de estudio. Como el “hombre primitivo”, el científico moderno busca conocer el funcionamiento del mundo natural 17 Desde los primeros hombres: observaciones, descripciones, clasificaciones y preguntas El conocimiento acerca de las características de los seres vivos se remonta a los hombres primitivos, cuyas observaciones estaban relacionadas principalmente con la obtención de alimento por medio de la caza, pesca y recolección de frutos. Era un conocimiento empírico derivado puramente de la observación. El inicio de la domesticación de animales y el cultivo de plantas fue acompañado de, y también estimulado por, un mayor conocimiento acerca de las características de los animales y las plantas. Entre los escritos de los babilonios, asirios, hebreos y egipcios hay descripciones que muestran un conocimiento bastante detallado de un número de animales y plantas. En una postura diferente, los filósofos griegos pre-aristotélicos ubicaban el problema de la vida dentro de sus sistemas filosóficos: la interpretaban desde su marco teórico, no a partir de observaciones. Consideraban que las leyes que gobiernan el universo podían deducirse mediante construcciones mentales elaboradas con el pensamiento, y que por lo tanto no era necesario comprobarlas mediante la observación. Recién Hipócrates de Cas (460-375 AC) adoptó un enfoque naturalista y con base causal de la medicina. Posteriormente Aristóteles (384-322 AC) realizó observaciones detalladas de los animales y sentó las bases de su clasificación, estudiando la anatomía y las funciones de los órganos, y postulando una teoría de la generación de los seres vivos. El posterior desarrollo de la biología en la escuela de Alejandría estuvo vinculado con la medicina y la anatomía. Representantes de esta escuela fueron Erófilo (c.335-c280 Ac) y Erasístrato (c.304-c250 Ac), que hicieron las primeras disecciones de cadáveres humanos. En Roma la figura más sobresaliente fue Plinio el Viejo (23-79 DC) y posteriormente Galeno (130-200 Dc), que desarrolló el conocimiento de la Anatomía, por medio de observaciones realizadas en animales. Durante la Edad Media no hubo grandes avances en las Ciencias Naturales, que cobraron nuevo impulso en el Renacimiento, cuando Leonardo da Vinci (1472-1519) realizó extraordinarios dibujos anatómicos, y Paracelso aplicó sus conocimientos de alquimista a la biología. En esa época se realizaron nuevasclasificaciones de los organismos conocidos, y se iniciaron las primeras colecciones de Historia Natural. Durante los siglos XVI y XVII se desarrollaron principalmente la Fisiología y la Anatomía, la primera con Andrés Vesale (1514-1564) y la segunda con William Harvey (1578-1657), que descubrió la circulación de la sangre. Durante estos siglos se intentó responder algunas de las principales preguntas de la biología. I- La biología y su objeto de estudio 18 Los seres vivos. Características, origen, evolución Desde los orígenes de la humanidad, el asombro ante la naturaleza originó preguntas y se buscaron respuestas a las mismas Las necesidades del hombre impulsaron la misma búsqueda 19 II ¿CÓMO SURGEN NUEVOS SERES? LA TEORÍA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA En el siglo XVI era ampliamente aceptado que se podían originar seres vivos a partir de materia no viva, ya sea organismos muertos o materia inorgánica. También se creía que de un tipo de organismos se podían originar otros muy distintos. Eso, que hoy en día puede resultar absurdo, en ese momento era la consecuencia lógica de la observación de la naturaleza: en la carne en descomposición aparecen larvas, donde se almacena trigo u otro alimento aparecen ratones, en los charcos temporarios aparecen renacuajos, de los gusanos surgen mariposas. En general, se consideraba que sólo los seres “de orden inferior” podían originarse de esta manera, es decir, aquellos de organización más simple a los ojos de los científicos de entonces (recordemos que las observaciones eran macroscópicas). Más adelante volveremos a esta concepción de seres inferiores y superiores. De larva a mariposa, tres momentos de la metamorfosis de la “mariposa monarca” Fenómenos como este dieron origen a explicaciones erróneas sobre el surgimiento de nuevos seres 20 Los seres vivos. Características, origen, evolución De las observaciones al método experimental Cuando una disciplina pasa de tener un objetivo puramente descriptivo a la búsqueda de respuestas a preguntas concretas se convierte en una disciplina científica. La simple acumulación de observaciones, por más detalladas que éstas sean, no contribuye al conocimiento del funcionamiento de la naturaleza. Podemos llegar a saber cómo son las cosas (al menos para nuestra capacidad de percepción), pero no por qué son así. Una disciplina es científica cuando plantea preguntas y propone hipótesis que pueden ser puestas a prueba mediante experimentos u observaciones. Es por eso que se considera que en el siglo XVII nace la biología como disciplina científica, momento en que pasa del terreno descriptivo a la utilización del método científico. El aficionado a las aves que sale a recorrer los campos, identifica las especies y tal vez hasta descubre nuevas, no es un científico, es un naturalista. Esto no impide que el conocimiento de las aves que obtiene con sus observaciones pueda resultar de mucha utilidad para quienes las estudian desde un punto de vista científico; es más, ese conocimiento es imprescindible para el avance de la ciencia. La mayor parte de los biólogos tiene su costado naturalista, la vocación y la curiosidad por estudiar los seres vivos, al margen de las preguntas científicas. El experimento de Redi Uno de los primeros que puso en duda la posibilidad de la generación espontánea fue Francisco Redi (1626-1697), un científico italiano. Era naturalista, médico y filósofo. No sólo resulta extraordinario que dudara acerca de algo aceptado por la mayoría de sus contemporáneos (el paradigma de la época), sino que además se planteara ponerlo a prueba mediante un experimento. Redi quería comprobar cómo surgían los gusanos que aparecían en la carne al descomponerse. Aunque hoy sabemos que las moscas ponen huevos sobre la carne, y éstos dan origen a los gusanos que son las larvas de mosca, hasta el experimento de Redi no se había observado a las moscas poniendo huevos. Para realizar su experimento, Redi colocó trozos de carne en frascos con una gran abertura, dejando algunos frascos abiertos y cubriendo otros con un papel herméticamente atado y sujetado. Al cabo de unos días, la carne que había estado al descubierto estaba cubierta de gusanos, mientras que la que 21 estaba en frascos cerrados se mantenía sin variaciones, incluso al cabo de varios meses. Como le criticaron que el resultado se debía a que el papel impedía la entrada de aire, luego lo reemplazó por una gasa de malla fina, obteniendo los mismos resultados. El experimento de Redi tenía todos los ingredientes que debe reunir un experimento: a. Contestaba una pregunta científica: ¿Cuál es el origen de los gusanos que aparecen en la carne? b. Ponía a prueba las hipótesis, o sea, las posibles respuestas a la pregunta planteada: ¿Surgen de la carne? ¿Provienen del medio externo? c. El diseño del experimento permitía comprobar las predicciones de las hipótesis: Si los gusanos surgen de la carne, aparecerán en los frascos aunque estos estén cerrados. Si los gusanos surgen a partir de algún organismo que viene de afuera, no aparecerán en los frascos cerrados. d. El experimento incluía controles, es decir, comparaba lo que sucedía en frascos cerrados con lo que sucedía en frascos abiertos. Al dejar los frascos abiertos o cerrados estaba aplicando tratamientos, es decir, una manipulación del sistema que permite poner a prueba la predicción de una hipótesis. Como le interesaba comprobar si la carne podía generar gusanos por sí misma, su tratamiento tenía que aislar la carne de cualquier otra fuente de contaminación. El control consiste en no realizar manipulaciones, es decir, no aplicar tratamientos: en este caso, ver qué sucede si no se tapan los frascos. Si bien ya se había observado anteriormente que en la carne al descubierto aparecían gusanos, era necesario probarlo en las condiciones propias del experimento, ya que podría suceder que la carne elegida hubiera sido tratada con alguna sustancia que impedía el desarrollo de gusanos, que las condiciones dentro de los frascos inhibieran su desarrollo, o que en ese lugar no estuvieran presentes los organismos que él pensaba responsables de la aparición de gusanos (por ejemplo, que en el lugar donde hacía el experimento no hubiera moscas). Mediante el control, Redi quería asegurarse que lo único que afectaba el desarrollo de los gusanos era que los frascos estuvieran tapados. Si en los frascos control tampoco hubiera encontrado gusanos, no podría haber descartado la teoría de la generación espontánea, ya que evidentemente en las condiciones de su experimento había algo independiente de los tratamientos que impedía el desarrollo de gusanos. II- ¿Cómo surgen los nuevos seres? La teoría de la generación espontánea 22 Los seres vivos. Características, origen, evolución e. El experimento incluía réplicas. Redi utilizó varios frascos tapados y varios destapados, es decir, realizó réplicas de los tratamientos. Cada uno de los frascos con carne constituye una unidad experimental, es decir, la unidad a la que se aplica un tratamiento. Las réplicas consistían en tener varias unidades experimentales con el tratamiento y varias unidades experimentales control. Si solamente hubiera comparado un frasco tapado contra uno destapado, la diferencia (o no diferencia) entre ellos podría haberse debido a la casualidad. Cuando se realizan pruebas repetidas y un determinado resultado se repite muchas veces, no puede ser atribuido a la casualidad; ese es el sentido de incluir réplicas. Las réplicas son necesarias porque los fenómenos naturales no siempre se comportan de la misma manera, y están sujetos a fenómenos estocásticos (debidos al azar, no controlados por el experimentador). También podría ocurrir que algún frasco se hubiera contaminado mientras se colocaba el papel para aislarlo, pero sería poco probable (si el experimentador era relativamente cuidadoso) que se hubieran contaminado todos. f. El experimento incluía condiciones experimentalescomparables entre sí. Otro detalle importante de un experimento es que las condiciones sean semejantes para todos los tratamientos; por ejemplo, que los frascos tapados y los frascos destapados estén en las mismas condiciones de temperatura, humedad, iluminación, etc. Es decir, que la única diferencia tendría que deberse al tratamiento. También la forma y dimensiones de los frascos deben ser las mismas. Si un investigador no puede someter todas las unidades experimentales exactamente a las mismas condiciones, debe entonces distribuir los tratamientos de manera que todos estén sujetos a las distintas condiciones. Por ejemplo, supongamos que en el experimento de Redi no había espacio suficiente para situar todos los frascos a la misma distancia de una ventana abierta. Entonces tendría que haberlos dispuesto de manera que cerca de la ventana hubiera tantos frascos tapados como destapados, haciendo lo mismo en la zona más alejada. Si hubiera colocado todos los frascos tapados cerca de la ventana y los destapados lejos de ella, tal vez hubiera obtenido otros resultados debido a que los más alejados eran menos accesibles a las moscas que ponían los huevos de donde surgían los gusanos. De este experimento surgió, en 1668, la teoría de la continuidad de la vida, que afirma que todo ser vivo proviene de otro ser vivo. Sin embargo, esta teoría no fue aceptada totalmente, reemplazando al paradigma de la generación espontánea, hasta dos siglos más tarde. El reemplazo de un paradigma por otro requiere muchas más evidencias que un único experimento. 23 III UN MUNDO DE DETALLES LA INVENCIÓN DEL MICROSCOPIO Aunque desde la antigüedad se conocían las propiedades de aumento de las lentes de vidrio o cristal y las lupas eran usadas ya en el siglo XIII por joyeros, relojeros y mercaderes de tejidos, recién a partir del siglo XVII los científicos empezaron a utilizar lentes para realizar sus observaciones. Los primeros microscopios consistían simplemente de una lente montada; luego se utilizaron microscopios compuestos, combinando dos lentes. El microscopio compuesto fue inventado entre 1591 y 1608 por el holandés Zaccharias Janssen (1588-1638) y por los ingleses Leonard y Thomas Diggs (1520-1559 y 1546-1595, respectivamente), pero fue Galileo Galilei (1564-1642) el primero que lo utilizó con fines científicos en 1608. Retrato de Galileo Galilei, de Giusto Susterman. A la derecha un telescopio usado por él, que se conserva en el Museo de la Ciencia de Florencia 24 Los seres vivos. Características, origen, evolución Algunos observadores y sus descubrimientos Mediante el uso de un microscopio sencillo, Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) hizo numerosas observaciones sobre musgos, abejas, parásitos, e innumerables objetos más. Leeuwenhoek trabajaba en casa de un mercader de tejidos, donde tuvo la oportunidad de usar las lentes de aumento que se utilizaban para analizar los paños. Por curiosidad las empezó a utilizar para observar otras cosas y se apasionó por el mundo microscópico que aparecía al agrandar los objetos. No sólo realizó observaciones, sino que se dedicó a tallar lentes y a armar microscopios. Llegó a tener 419 lentes, algunas de las cuales agrandaban hasta 270 veces. Era famoso por su habilidad artesanal y la calidad de sus microscopios. Sin embargo, lo que más le preocupaba no era el poder de aumento sino la nitidez de la imagen. Realizó innumerables observaciones de las cosas más variadas y sin un método preconcebido, ya que no era un científico; sin embargo, sus observaciones y sus microscopios ya eran famosos cuando mandó su primer comunicación a la Royal Society of London en 1673. En total escribió 375 comunicaciones. Entre los principales descubrimientos de Leeuwenhoek están los glóbulos de la sangre (año 1673), los infusorios (1675) y las bacterias (1683). El descubrimiento de los animálculos o infusorios tuvo grandes repercusiones en el desarrollo de la biología. Leeuwenhoek comunicó a la Royal Society: “En agua de lluvia que había permanecido varios días en un jarro vidriado, descubrí criaturas vivientes”. Este descubrimiento, que fue seguido de la observación de estos animálculos en todos los líquidos donde había algún resto de materia orgánica, renovó la discusión acerca de la posibilidad de la generación espontánea. Si tenían razón los que creían que todo ser vivo se origina de otro ser vivo ¿de qué organismos salían los infusorios presentes en el agua de lluvia? Había que suponer que los animálculos o sus gérmenes se encuentran diseminados por todos lados y se desarrollan cuando encuentran un líquido propicio. Otro descubrimiento importante realizado gracias a la observación microscópica fue el de los espermatozoides, realizado por Luis de Hamm en 1677, al colocar al microscopio una gota de semen humano. Comunicó su descubrimiento a Leeuwenhoek, quien se dedicó a buscar espermatozoides en el semen de numerosas especies, los describió y los relacionó con la generación de nuevos individuos. Unos años antes, De Graaf (1641-1673) había descripto el folículo ovárico de los mamíferos, al que llamó “huevo”. También, mediante experimentos en conejos, De Graaf describió el paso del óvulo desde el ovario a la trompa uterina y al útero. 25 Preformismo y epigénesis A comienzos del siglo XIX todavía se tenía una idea muy vaga de cómo se originaban los nuevos seres. Se creía que los organismos inferiores podían surgir de materia no viva, pero en el caso de los organismos superiores el conocimiento se basaba en lo observado en humanos. De manera general, se aceptaba la opinión de los antiguos (Hipócrates) que los nuevos individuos se formaban por la mezcla de dos simientes provenientes de los padres. Sin embargo, no se sabía el papel que cumplía cada una. Descartes opinaba que se servían mutuamente de levadura y que al unirse desencadenaban el desarrollo de un nuevo individuo. A medida que se conocía más acerca de la complejidad de las estructuras de los seres vivos, resultaba difícil imaginarse que se desarrollaban a partir de un líquido indiferenciado. Entonces surgió la explicación de que, en realidad, los organismos se originaban a partir de gérmenes o corpúsculos muy pequeños pero idénticos a ellos, como si fueran modelos completos a escala. Esta explicación fue llamada teoría preformacionista, porque consideraba que los organismos existían como tales, pero pequeñísimos, y que la generación de nuevos organismos consistía sólo en aumentar de tamaño. Esta teoría era apoyada por algunas observaciones de semillas de plantas y de huevos de insectos, donde se podían distinguir rudimentos de las distintas partes. Sin embargo, William Harvey (1578-1657) había observado en huevos de pollo distintos estadíos durante los cuales el embrión se iba desarrollando por la aparición sucesiva de nuevas estructuras, lo que dio lugar a la teoría de la epigénesis, es decir, que los organismos iban desarrollándose y cambiando a partir de la simiente. Estas dos teorías coexistían y tenían sus adeptos, por lo cual ninguna de las dos podía ser considerada un paradigma. Harvey estudió el desarrollo de los embriones en los huevos de pollo III- Un mundo de detalles. La invención del microscopio 26 Los seres vivos. Características, origen, evolución La teoría ovista Numerosos científicos de esta época coincidían en considerar que todos los organismos se originan a partir de un “huevo”, sin embargo había diferencias en cuánto al significado del huevo. El descubrimiento del óvulo por de Graaf llevó al desarrollo de la teoría “ovista”, que consideraba que dentro del huevo contenido en la madre, ya se encontraba preformado el futuro organismo. El padre sólo contribuía estimulando el crecimiento. El descubrimiento de los espermatozoides llevó a plantear la postura inversa, es decir, que el ser preformado se encontraba en éstos y que el huevo de la hembra sólo actuaba de receptáculo para el crecimiento. Pero, ¿qué pasaba conla siguiente generación?, ¿de dónde salía? Las teorías vigentes suponían que surgía a partir de otro ser preformado que estaba adentro del otro y así sucesivamente. Cada ser tendría en su interior a sus descendientes, desde hijos hasta tatara-tatara-tataranietos; cada uno de ellos de un tamaño cada vez más pequeño, pero con todos sus componentes completos. Esta teoría se llamó del encaje, porque suponía que las sucesivas generaciones estaban encajadas una adentro de otra, como los cubos cada vez más pequeños con que juegan los chicos a encajar uno dentro de otro, o como las muñecas rusas, que en su interior tienen otra idéntica más pequeña, que a su vez contiene otra, y así sucesivamente. La respuesta alternativa que se planteaba era que los nuevos seres provenían del ambiente, que sus gérmenes estaban diseminados por todos lados y que se desarrollaban cuando encontraban el lugar propicio; esta explicación fue llamada teoría de la diseminación. Por ejemplo, un germen humano sólo se desarrollaría si ingresaba en un humano (por inhalación, o por los alimentos), mientras que los que ingresaban en una planta u otro animal no se desarrollarían. Igualmente, un germen de planta sólo se desarrollaría en el interior de una de éstas, etc. Según esta teoría deberían existir innumerables gérmenes de todas las especies diseminados por todos lados. De las dos teorías la que tenía mayor aceptación era la del encaje. Los que rechazaban la idea de que había gérmenes preformados también rechazaban la idea del desarrollo a partir de un huevo, y consideraban que era la mezcla de las simientes del padre y la madre lo que conducía al desarrollo de un nuevo organismo. En resumen, en ese momento existían cinco opciones para explicar la generación de nuevos seres: 27 Ovismo con encaje. Existencia de un huevo en la hembra con un individuo preformado adentro, que a su vez contenía un huevo con otro individuo preformado, y así sucesivamente. Ovismo con diseminación. Existencia de un huevo en la hembra pero que sirve de receptáculo para el desarrollo de gérmenes que se encuentran diseminados por todas partes y que se desarrollan cuando se encuentran en el sitio adecuado. Para ambas teorías, el papel paterno sólo era inducir el desarrollo del huevo. Animalculismo con encaje. Era el animálculo encontrado en el semen (el espermatozoide) el que contenía al nuevo ser preformado. A su vez, dentro de un animálculo había otros más pequeños, y así progresivamente. Animalculismo con diseminación. Existían animálculos diseminados que primero se introducirían en los machos, de donde pasarían a las hembras, donde finalmente se desarrollaban. Las cuatro teorías planteadas anteriormente consideraban que los nuevos organismos estaban preformados en sus ascendientes. En general, quienes las aceptaban a su vez rechazaban totalmente la idea de la generación espontánea. Para las dos últimas teorías, el papel del sexo femenino se reducía a proveer un lugar para el desarrollo y alimento del animálculo. Epigénesis. Consideraba que los nuevos seres surgían a partir de sustancias indiferenciadas, como los líquidos seminales, y se iban desarrollando y adquiriendo nuevas estructuras. Los partidarios de esta teoría en general rechazaban la existencia de un “huevo” y aceptaban la posibilidad de la generación espontánea, al menos de los organismos inferiores. III- Un mundo de detalles. La invención del microscopio 28 Los seres vivos. Características, origen, evolución Charles Bonnet, un ovista preformacionista En el siglo XVIII, dos descubrimientos despertaron el interés hacia organismos considerados “inferiores”, a los que no se les había prestado demasiada atención en épocas anteriores: la descripción de la reproducción partenogenética de los pulgones por Charles Bonnet (1720-1793) y de la regeneración de los brazos de los pólipos por Abraham Trembley (1710-1784). La partenogénesis de los pulgones, que se hicieron famosos en distintos círculos de la época, implicaba un buen apoyo a los que tenían la teoría de que los nuevos seres se originaban a partir del huevo de la hembra, ya que en el caso de los pulgones no había ninguna intervención de machos. Bonnet consideraba que ningún organismo podía originarse a partir de sustancias indiferenciadas, por lo que rechazaba la idea de la generación espontánea y la epigénesis. Sin embargo, planteaba: “No afirmaré yo, todavía, que las yemas que producen los retoños de un pólipo de brazos fuesen pólipos en miniatura que se encuentran escondidos debajo de la piel de la madre, pero sí afirmaré que debajo de la piel hay ciertas partículas que han sido preorganizadas de forma que un pólipo pequeño se produzca de su desarrollo”. Era, entonces, un preformacionista, pero con una versión un poco modificada, y en esta modificación estaba el esbozo de lo que se descubrió después: los seres vivos no se originan a partir de minúsculas versiones de sí mismos, pero tampoco de sustancias sin ninguna organización. Para el esclarecimiento de este tema debía pasar todavía mucho tiempo y antes debía realizarse el descubrimiento del papel del material genético. Consecuente con la idea de la existencia de seres preformados dentro de los progenitores, Bonnet también consideraba que las especies habían mantenido sus características a lo largo del tiempo; es decir, era partidario del fijismo de las especies. Los aportes de la embriología a la discusión. Kaspar Friedrich Wolf Wolff (1733-1794) describió con detalle el desarrollo del embrión de pollo, observando que van apareciendo estructuras que antes no estaban presentes. Esto apoyaba la teoría de la epigénesis en contra del preformacionismo. Wolff atribuyó a una “fuerza vital” la capacidad de generar las transformaciones que se producen durante el desarrollo. 29 Los experimentos de Spallanzani y Needham Spallanzani (1729-1797) era contemporáneo de Bonnet y más que embarcarse en discusiones teóricas prefería poner a prueba sus ideas con experimentos. Uno de sus primeros trabajos fue realizado para ver el origen de los “animálculos” que aparecían en las infusiones y que según Buffon se generaban espontáneamente de la materia orgánica en descomposición. Spallanzani, al contrario, opinaba que debían surgir de algún germen que se encontraba en las infusiones. Un partidario de la generación espontánea, John Turberville Needham (1713-1781), había realizado un experimento que parecía terminar con la eterna discusión: había colocado jugo de cordero en un frasco cuidadosamente tapado durante media hora sobre cenizas calientes para, supuestamente, eliminar los gérmenes que ya pudiera contener; al cabo de un tiempo, el jugo de cordero estaba poblado por animálculos, producto de la “generación espontánea”. Spallanzani repitió el experimento, pero cuidando de cerrar mejor los frascos, y sometiendo el jugo a un calentamiento más prolongado. No encontró animálculos. La cuestión era ¿quién tenía razón? ¿Había forma de saberlo? Spallanzani argumentaba que Needham no había eliminado los animálculos del jugo de cordero o que había permitido que penetren nuevos desde afuera, mientras que Needham decía que el calor que había aplicado Spallanzani al jugo lo había transformado de manera que no era más apto para el desarrollo de animálculos. Como resultado de estos experimentos, la polémica siguió abierta, hasta que los experimentos de Luis Pasteur zanjaron la cuestión en contra de la teoría de la generación espontánea. ¿Se te ocurre una manera de contestar la objeción de Needham, quien opinaba que el tratamiento de calor de Spallanzani impedía el desarrollo de nuevos animálculos? Frontispicio que representa a Lázaro Spallanzani, naturalista italiano III- Un mundo de detalles. La invención del microscopio 30 Los seres vivos. Características, origen, evolución Experimentación y observación son fundamentales en el progreso de las Ciencias Naturales. Cultivos de microorganismos sépticos en tubos en U (InstitutoPasteur, París) 31 IV LOUIS PASTEUR Y EL FIN DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA Pasteur (1822-1895) se inició realizando estudios de cristalografía y posteriormente se abocó a temas biológicos. Se caracterizó por utilizar un método tremendamente efectivo para contestar sus preguntas. Temas que habían sido sujetos a polémica durante años eran tomados por Pasteur y analizados hasta llegar a una respuesta inapelable. Cada dos o tres años cambiaba de un problema biológico a otro: la fermentación del azúcar de remolacha, enfermedades del vino y la cerveza, enfermedades de los gusanos de seda, el problema de la generación espontánea, el antrax, la rabia. En cada uno de esos temas había cientos de científicos en Europa que sabían más que Pasteur; sin embargo, él lograba resolver en meses lo que se había mantenido en discusión durante años. Pasteur no se diferenciaba del resto por poseer un mayor conocimiento enciclopédico, sino por la forma en que abordaba los problemas: su método era plantear hipótesis, deducir las consecuencias lógicas de esas hipótesis (sus predicciones) y ponerlas a prueba mediante experimentos bien planeados. Caricatura de Louis Pasteur, en la época en que realizaba sus estudios antirrábicos 32 Los seres vivos. Características, origen, evolución Repitiendo experiencias y realizando descubrimientos Con respecto al tema de la generación espontánea, Pasteur realizó experimentos semejantes a los ya realizados por Redi, Needham y Spallanzani, pero de manera que sus conclusiones no podían ser discutidas. Hirvió una infusión de levadura y la mantuvo en contacto solamente con aire calcinado, viendo que se mantenía sin descomponerse durante años, pero que se alteraba al cabo de poco tiempo si se introducía en ella un algodón que estuvo en contacto con el aire exterior. Para Pasteur, junto con el algodón se habían introducido en el recipiente cerrado los gérmenes que causaban la descomposición. Observó el algodón al microscopio y, efectivamente, ¡ahí estaban! En otro experimento preparó una infusión muy putrescible en un balón que tenía el cuello estirado en forma de tubo sinuoso (Figura 1.02), y luego hirvió el líquido. Si el balón se mantiene sobre una estufa y con el cuello intacto, entonces no aparecían gérmenes en el líquido, pero sí aparecían al cortar el cuello del balón. Con esto demostró que el calentamiento en sí mismo no impedía el posterior desarrollo de gérmenes; el cuello sinuoso era el que actuaba de filtro impidiendo que los gérmenes penetraran desde afuera. Posteriormente demostró que líquidos como la sangre y la orina pueden mantenerse en forma inalterada si son recogidos a cubierto de gérmenes y se mantienen en un ambiente estéril. O sea, inventó la esterilización. También describió la existencia de gérmenes en el agua y en la superficie de muchos objetos, y estudió las temperaturas necesarias para eliminarlos. De sus experiencias surgió la técnica de pasteurización de la leche, aún hoy utilizada: consiste en someter a la leche a determinada temperatura durante el tiempo necesario para eliminar la mayoría de las bacterias. Otro de los grandes aportes de Pasteur fue el descubrimiento de que los virus y bacterias, cuando se desarrollaban fuera de sus huéspedes naturales, no tenían la misma virulencia; en este descubrimiento se basa el desarrollo de las vacunas. Por su contribución al conocimiento de los microorganismos, Pasteur es conocido como el padre de la microbiología. Laboratorio de Pasteur, según un óleo de Buffet en el Instituto Pasteur de París 33 El mencionado experimento de Pasteur superó el problema que había tenido Spallanzani, que podría haber contestado las críticas de Needham si hubiera tenido frascos calentados pero a los que se mantuviera destapados, es decir, un control para el efecto del tratamiento. En los experimentos de Needham y Spallanzani lo que se pretendía era partir de un jugo sin gérmenes, para poder probar si éstos surgían espontáneamente o se necesitaba el contacto con el exterior. La forma de aplicar el tratamiento en este caso fue el calor, pero Needham lo hizo de una manera y Spallanzani de otra. Vemos que la forma de aplicar los tratamientos influye sobre los resultados y que ninguno de los dos podía estar seguro de haber logrado el objetivo de eliminar los gérmenes (aunque resulta más dudoso que eso se logre en el experimento de Needham). Esta es una de las dificultades con las que se encuentran los biólogos experimentales aún hoy. Muchas veces sus tratamientos afectan características de los sistemas que desearían mantener constantes. Por otra parte, las herramientas que utilizan para realizar los tratamientos no siempre garantizan que estén realizando el tratamiento deseado y evitando otros efectos no buscados. Figura 2. Experiencia de Pasteur: si la infusión estéril dentro del balón no entraba en contacto con los gérmenes del aire, no se observaba desarrollo microbiano dentro de la ampolla. IV- Louis Pasteur y el fin de la generación espontánea 34 Los seres vivos. Características, origen, evolución Yo admiro a Louis Pasteur La obra de algunos hombres es tan enorme que se vuelve invisible. Tal el caso de Louis Pasteur, para muchos apenas una estación de subte, una referencia al Instituto homónimo y algo relacionado con la leche. Su trayectoria fue singular: era un químico cuyos trabajos en biología revolucionaron la medicina. Focalizado en el problema, lo enfrentaba hasta las últimas consecuencias. Requerido por la industria, pasó de los cristales a la fermentación de la remolacha, luego a la fabricación de cerveza, las enfermedades de los animales de granja y finalmente a la prevención de la rabia; a su paso las teorías se derribaban, incapaces de explicar sus experimentos bien diseñados y concluyentes. Prefería la tranquilidad de su laboratorio, pero también daba conferencias y escribía artículos para la gente común. Enfatizaba la responsabilidad pública del científico, criticando los círculos académicos aislados, reducidos y selectos. La Academia le negó dos veces el ingreso, pero él terminó llevando a la ciencia a la primera plana de los periódicos. La historia le debe uno de sus momentos más dramáticos (dos niños esperando el efecto de las inyecciones milagrosas), pero suele olvidarse que el autor del milagro sufría ya una hemiplejia que no había mermado su capacidad de trabajo. Una de sus frases favoritas decía: “El azar sólo favorece a los espíritus preparados”. J. R. D. La teoría celular Una vez que Pasteur refutó la teoría de la generación espontánea, estableció que los organismos vivos derivan de otros organismos, y que existe una brecha entre la materia inanimada y los seres vivos, uno de los temas centrales del siglo XIX consistió en determinar cuál era la unidad mínima de la vida. Claro que la búsqueda se dificultaba, sobre todo con microscopios que adolecían de una fuerte aberración cromática y que no permitían una buena resolución de la imagen, especialmente al incrementarse la magnificación (aumento) utilizada. Alrededor de 1830 aparecieron los primeros microscopios acromáticos y paralelamente mejoraron las técnicas de preservación y obtención de secciones histológicas del material vivo. La idea que venía cobrando fuerza hacía ya bastante tiempo era que los seres vivos eran receptáculos o bolsas de una maquinaria química altamente organizada. Con la aparición de los microscopios en el siglo XVII, fue posible obtener las primeras miradas al mundo microscópico. La palabra ‘célula’ deriva del latín cella (celdilla de los panales de abejas) y fue acuñada por el físico inglés Robert Hooke (1635-1703) en 1665 para denominar las celdillas que observaba en cortes de corcho. Distinguido microscopista, publicó sus dibujos en Micrographia, un verdadero best seller de su época. O 35 sea que ya estaba todo listo para que los alemanes Matías Schleiden (1804-1881), trabajando con células vegetales y Teodoro Schwann(1810-1882), haciendo lo propio con células de tejido animal, formulasen oficialmente en 1838 la teoría celular, que postulaba que todos los seres vivos están constituidos por unidades elementales que son las células. Las células pueden ser definidas como compartimentos delimitados por membranas, y contienen gran variedad de compuestos químicos en una solución acuosa. El origen de la teoría celular va de la mano del avance tecnológico. En este mismo siglo Rudolf Virchow (1821-1902) estableció que cada célula se originaba por fisión de una célula pre-existente (todavía se desconocía el mecanismo de división celular). Se describieron por primera vez distintas organelas subcelulares (el núcleo, el aparato de Golgi, el retículo endoplasmático, las mitocondrias, los cloroplastos, etc). Con el auge de los nuevos descubrimiento se estimuló un acercamiento reduccionista a los problemas biológicos. Según esa visión, todos los procesos vitales se podían explicar a través de lo que sucedía en las células. Estas eran las unidades mínimas de la vida, eran totipotentes, es decir, capaces de cumplir con todas las funciones vitales esenciales y los organismos multicelulares se consideraban “repúblicas de estas unidades elementales de vida”. Las células se convirtieron en el elemento básico de los procesos patológicos; las enfermedades se explicaban como alteraciones en las células de un organismo, independien-temente de cuál fuera el agente causante de esa alteración. Es evidente que para estos pioneros, la teoría celular era el nexo que unificaba todo el conocimiento sobre los seres vivos. Retrato de Rudolf Virchow, fundador de la patología celular IV- Louis Pasteur y el fin de la generación espontánea 36 Los seres vivos. Características, origen, evolución Comadreja overa, especie arbórea que se encuentra en gran parte de América del Sur Como en todos los seres vivos, la célula es la unidad mínima de su organismo 37 V EL PROBLEMA DEL ORIGEN DE LAS ESPECIES Comprender el proceso de generación de nuevos seres que ocupaba la atención de gran número de científicos entre los siglos XVII y XVIII estaba muy vinculado a la comprensión de cómo se originaban las especies y cómo se mantenían las características de las ya existentes. Recordemos que hasta el siglo XVIII no se sabía nada acerca de los mecanismos de la herencia y tampoco se había desarrollado el concepto de “especie”. Aunque desde los griegos se habían realizado clasificaciones de los seres vivientes, estas clasificaciones se basaban en caracteres externos y no suponían que entre las especies existieran relaciones de parentesco. Como se desconocían los mecanismos de la herencia no parecía increíble que un organismo diera lugar a otros de características muy distintas; incluso se creía que los animales podían originarse de plantas. A no sorprenderse, entonces, que hasta hace poco se hiciera creer a los chicos ¡que habían nacido de un repollo! Para los clérigos católicos y protestantes, la explicación del origen de la vida estaba en el Génesis Caricatura de uno de los críticos de la teoría de la evolución 38 Los seres vivos. Características, origen, evolución Los aportes de Carl Linné La descripción y el ordenamiento de la diversidad de organismos vivientes observada eran pasos previos necesarios para poder entender qué daba origen a la variedad de las especies. Durante los siglos XVII, XVIII y XIX los científicos europeos recibían muestras de minerales, plantas y animales de muchas partes del mundo, resultado de viajes de exploración o expediciones de guerra. La diversidad de seres vivientes era mucho mayor de lo que se creía hasta ese momento y se tornó necesario encontrar algún orden en esa diversidad, y explicar su origen. Linné (Linneo, Carl von,1707-1778) sentó las bases de un sistema de clasificación de los seres vivos que aún hoy se utiliza. En primer lugar, el sistema linneano agrupaba a los individuos más semejantes entre sí en especies. Luego, las especies semejantes eran reunidas en géneros, los géneros en familias, las familias en órdenes, los órdenes en clases, etc. Esta es una clasificación jerárquica, en la cual cada categoría reúne varias de las anteriores. Linné utilizó una nomenclatura binaria para denominar las especies: el primer nombre correspondía al género y el segundo a la especie; el primero sería equivalente al apellido y el segundo al nombre. Por ejemplo, en el caso del tapir, el nombre de la especie es Tapirus terrestris. Tapirus es el nombre del género y terrestris indica la especie (epíteto específico). Para la clasificación de las plantas utilizó las características de los órganos sexuales (principalmente las flores). Como éstas son más semejantes en organismos cercanamente emparentados, su clasificación en gran parte se mantiene actualmente, ya que las clasificaciones actuales se basan en agrupar los organismos de acuerdo a su origen común. La contribución de Linné fue fundamental, ya que sirvió como germen de las ideas según las cuales las especies se formaban diferenciándose a partir de un tronco común. Ejemplo de clasificación dentro de la familia de las ballenas: Familia Balaenidae Género: Eubalaena Especies: Eubalaena australis Eubalaena glacialis Género: Balaena mysticetus Especie: Balaena mysticetus Género: Caperea Especie: Caperea marginata 39 Si bien Linné consideraba que todas las especies que habitaban la Tierra habían sido creadas por Dios y se habían mantenido sin modificaciones por millones de años (lo cual implicaba que no tenían un origen común), su sistema de clasificación jerárquica podía estar indicando relaciones de parentesco, más cercano en el caso de especies, más lejano a medida que se comparaban géneros, familias, etc. La teoría que postulaba que las especies habían surgido todas a la vez, con características idénticas a las actuales fue llamada teoría fijista. Según esta teoría, las variaciones observadas entre individuos de una especie eran consideradas accidentales. Sin embargo, la observación de características de las especies más similares llevó a que Linné posteriormente propusiera (en su libro Fundamente fructificatione, 1762) que las especies de un mismo género tenían un origen común, que Dios había creado distintos géneros y a partir de éstos, por cruzamientos, se habrían originado distintas especies. Esta propuesta muestra el esbozo de una teoría que tendría mayor desarrollo en un período posterior, la teoría transformista, que planteaba que las especies fueron cambiando y dando lugar a nuevas especies a lo largo del tiempo. Clasificación de crustáceos realizada por el naturalista Carl von Linneo V- El problema del origen de las especies 40 Los seres vivos. Características, origen, evolución Las especies “nobles” e “inferiores” Las ideas de George Louis Leclerc, conde de Buffon Otro científico que aborda en esta época el problema del origen de las especies es Buffon (1707- 1788). En su obra Historia de los cuadrúpedos, publicada en 1753, se pregunta si el burro y el caballo siempre fueron especies distintas u originalmente pertenecían a la misma. Buffon adhería a la teoría de la epigénesis, y aceptaba la generación espontánea. Al principio rechazaba la idea de que de unas especies se pudieran originar de otras y llamaba la atención sobre la importancia de la consecuencia lógica de las clasificaciones realizadas por los naturalistas como Linné. Las familias de especies, ¿son realmente familias porque están emparentadas? ¿Se fueron transformando a partir de una versión original? Como no estaba de acuerdo con estas posibilidades, también rechazaba la clasificación de Linné. Lo único que aceptaba Buffon era la existencia de especies, pero consideraba que las jerarquías superiores del sistema linneano (superiores a género) son construcciones abstractas, no reales. Posteriormente, aceptó la idea de que algunas especies pueden dar origena otras, pero lo atribuyó a un proceso de degeneración, no de progreso. Dividía las especies en “nobles” y en “inferiores”. Las nobles se mantendrían inmutables a lo largo del tiempo, tal como habían sido creadas; las inferiores, en cambio, mostraban mayor tendencia a degenerar y producir un número de especies semejantes. Entre estas últimas situaba especialmente a las de pequeño tamaño y gran capacidad de reproducción. Consideraba que los tipos primigenios se habían originado por generación espontánea a partir de material inorgánico, que por acción del calor habría dado lugar a moléculas orgánicas. La naturaleza produciría moldes según los cuales las moléculas orgánicas se agruparían dando origen a los distintos tipos de organismos. De los distintos tipos que se podrían generar, sólo persistirían los que tenían una organización adecuada al medio en el que estaban. Al principio se habrían formado los organismos acuáticos, porque la Tierra estaba cubierta de agua, luego los terrestres y las aves. Aparecían las especies ya formadas, y así se mantenían. El cambio en los tipos de especies a lo largo de los tiempos se daba porque cambiaba el “molde” (los factores generadores); por ejemplo, la Tierra se iba secando o disminuía la temperatura, pero las especies no surgían unas a partir de otras. Consideraba que si por algún motivo desaparecieran todos los animales de la Tierra, si el molde se mantuviera, pronto serían reemplazados por otros semejantes. 41 Las bases de la teoría de la evolución Jean Lamarck Lamarck (Juan Bautista Pedro Antonio de Monet, caballero de, 1744-1829) fue en 1802 el primero que utilizó la palabra ‘biología’. A partir de estudios de anatomía y sistemática, primero en vegetales y luego en animales, propuso una teoría para el origen de las distintas especies. Según Lamarck, sólo los organismos más sencillos se han originado por generación espontánea y a partir de ellos surgió el resto de las especies. Consideraba que hay un orden de los seres vivos que refleja un progreso continuo en su organización, es decir, que hay una tendencia natural a perfeccionarse. Esa tendencia llevaría a un cambio gradual y continuo hacia especies más “perfectas”. Esta tendencia se derivaría de una energía motriz contenida en los fluidos internos. Según este planteo, las especies irían dando lugar a formas más perfectas a lo largo del tiempo. Lamarck pensaba que desde los organismos más sencillos se tendía indefectiblemente hacia los más complejos, si no había condiciones externas que provocaran desviaciones en esta sucesión. Según esta teoría, en un momento dado tendría que haber sólo organismos con un determinado grado de complejidad, es decir, no coexistirían las bacterias, las amebas y el hombre. Ya que innegablemente existen especies distintas con grados de complejidad muy diferentes, Lamarck consideraba que la falta de uniformidad observada se debía a la influencia del medio, que produce desviaciones de la tendencia natural. En el tratado Philosophie zoologique Lamarck planteaba cómo puede actuar el medio modificando los organismos. Si en un ambiente un determinado órgano no es útil y no es utilizado, se atrofia, degenera y puede incluso desaparecer. Esta disminución se transmitiría de padres a hijos y sería acumulativa. A la inversa, Lamarck consideraba también que podían aparecer órganos nuevos como resultado del esfuerzo y de los movimientos orgánicos provocados por la necesidad. Por ejemplo, la costumbre de pelear entre machos habría producido cuernos en los rumiantes, las serpientes perdieron las patas por la costumbre de arrastrarse, a las jirafas se les estiró el cuello porque comían hojas situadas en ramas de árboles altos, etc. Los cambios provocados por al ambiente o por el comportamiento de las especies se extenderían en las poblaciones sólo si las circunstancias que les daban origen se mantenían a lo largo de las generaciones. Lamarck fue el primero en postular que los organismos muestran un ajuste a su medio, es decir, que las circunstancias y las costumbres modelan la estructura orgánica de manera que ésta se adapta, pierde lo superfluo y adquiere lo necesario. Y que los cambios se van acumulando a lo largo de generaciones. De esta manera, ya empieza a esbozarse la teoría de la evolución de las especies. Al contrario de Buffon, que también proponía que se producían cambios en algunas especies a lo largo del tiempo (en este caso por V- El problema del origen de las especies 42 Los seres vivos. Características, origen, evolución degeneración), Lamarck consideraba que esos cambios tenderían al progreso y a un mejor ajuste con el medio ambiente. Las ideas de Lamarck sobre la evolución de las especies no fueron aceptadas en su época y recibieron severas críticas de sus contemporáneos, especialmente de Cuvier. Sin embargo, la idea de que todos los seres vivos tenían características de organización común, a partir de la cual se generan modificaciones, se iba afianzando. El aporte de la anatomía comparada, especialmente debido a Étienne Geoffroy Saint Hilaire (1772-1844), contribuyó a esta idea. Órganos similares presentes en distintos grupos, con distinto grado de desarrollo y variaciones en la estructura, cumplen funciones semejantes; en algunas especies, se observan rudimentos que en otras especies aparecen bien desarrollados, como por ejemplo, las patas de los vertebrados terrestres y las aletas de las focas. Saint Hilaire consideraba a la anatomía comparada como una herramienta poderosa para encontrar las relaciones entre especies, y, en vez de poner el acento en las diferencias morfológicas, destacaba las analogías, contribuyendo a la idea de un origen común. Sin embargo, la formulación de una teoría de la evolución de las especies necesitaba apoyarse en registros históricos, es decir, no sólo en el conocimiento de las especies presentes en ese momento, sino en el de aquéllas que habían existido en tiempos pretéritos: es decir, el estudio de los fósiles. La existencia de los fósiles se conocía desde la antigüedad, pero se habían considerado al principio como formas minerales que se parecían a algún ser vivo por casualidad, o, durante la Edad Media, pruebas fallidas de la Creación. Ya en el siglo XVI y XVII, en cambio, se interpretaba correctamente su significado, especialmente por los trabajos de Leonardo da Vinci, Bernard Palissy y Nicolás Stnon. Retrato de Lamarck, teórico evolucionista 43 Los estudios de Georges Cuvier (1769-1832) sobre fósiles de cuadrúpedos mostraron la existencia de especies en el pasado que no habían subsistido hasta el presente. Si bien se habían encontrado otros fósiles de cuadrúpedos, estos pertenecían a especies existentes (hipopótamos, elefantes y rinocerontes en Siberia). La pregunta que surgía entonces era: ¿qué relación hay entre las especies presentes y las que estuvieron en el pasado? Para Cuvier la respuesta era: “Ninguna”. Simplemente se reemplazaron unas a otras. Consideraba que la tierra había sufrido numerosos cataclismos a lo largo de su historia y que en cada cataclismo muchas especies se extinguían. ¿Cómo se repoblaba la tierra? Al revés que Alcides D’Orbigny (1802-1875), que creía que después de cada cataclismo se volvía a producir la creación de especies, Cuvier pensaba que éstos no afectaban toda la Tierra a la vez y que los sitios donde desaparecían los seres vivos eran ocupados por otros que provenían de áreas no afectadas. Según esta idea, en el pasado tenían que haber existido muchas más especies que en el presente. Cuvier se oponía totalmente a la idea del cambio de las especies a lo largo de su historia y -a diferencia de Buffon, Lamarck y Saint Hilaire- era preformacionista. Los cambios en la fauna que él observaba en el registro fósil los atribuía solamente a la desaparición de algunas especies y a cambios en la distribución de otras. La posición fijista de Cuvier tenía un sustento bastante sólido en la observación de la naturaleza:no se observaban grandes variaciones en las especies de una generación a la siguiente. La fuente de variación propuesta hasta el momento era el cruce entre individuos de distintas especies, pero lo que Cuvier observaba era que eso se producía raramente y que en general la descendencia de esos cruzamientos era estéril, tal el caso de la mula (cruza de yegua y burro). Pese a que existían variaciones entre individuos de una misma especie, éstas se producían en estructuras accesorias, no fundamentales, mientras que el esquema general era marcadamente constante. Otro argumento en contra de la transformación de las especies era que, de haber existido, tendrían que haber aparecido formas intermedias en el registro fósil, producto de los cambios graduales, pero éstas no se encontraban. Cuvier también observó que las características de los animales que vivían en el Antiguo Egipto y que se habían conservado con las momias eran muy similares a las de los animales actuales. Argumentó: si algo cambió muy poco entre la época de los egipcios y ahora, ¿por qué hay que suponer que hubo transformaciones más abruptas en el pasado? V- El problema del origen de las especies 44 Los seres vivos. Características, origen, evolución El caracter incompleto del registro fósil llevó a algunos científicos a negar la teoría de la evolución 45 VI CHARLES DARWIN Y LA TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN En la época de Darwin, el paradigma imperante era que las especies habían sido creadas una única vez y que se habían mantenido inmutables a lo largo del tiempo. Sin embargo, existían antecedentes de posturas contrarias al fijismo que aún no habían podido consolidarse. Uno de los problemas era encontrar el mecanismo que había producido la evolución, y otro explicar cómo había sucedido en el tiempo de vida de la Tierra. Una de las tantas caricaturas de Darwin, 1871 46 Los seres vivos. Características, origen, evolución Los aportes de la geología Aunque en la época de los griegos se consideraba que la Tierra era mucho más antigua, y Anaximandro (610-547 a.C.) había planteado ya una teoría de la evolución semejante a la actual, en Europa estos trabajos eran poco conocidos y en el momento en que se producían las discusiones acerca del origen de las especies se consideraba que la vida en nuestro planeta tenía aproximadamente 6000 años, edad calculada por teólogos cristianos teniendo en cuenta el número de generaciones que habían transcurrido desde Adán hasta esa fecha. Los geólogos pensaban que la Tierra había sido moldeada por cataclismos, o sea eventos repentinos y violentos, hasta que James Hutton (1726-1797) propuso que los cambios en la corteza terrestre podrían haber tenido lugar en forma gradual, debido a procesos lentos relacionados con la acción del clima, los vientos y el agua. Esto indicaba que la edad del planeta debía ser mucho más antigua de lo que se estimaba. También planteaba una visión de la Tierra en continuo cambio gradual, no en una situación estática sólo interrumpida por episodios violentos. Esta teoría acerca de la evolución de la Tierra se llamó uniformitarista. Posteriormente, otro geólogo, Charles Lyell (1797- 1875), retomó esta teoría y aportó nuevas evidencias. Lyell ejerció mucha influencia en el pensamiento de Darwin, del que era amigo, al darle elementos para postular la evolución gradual de las especies. Charles Darwin en una caricatura de la época 47 El viaje del Fitz Roy Darwin fue invitado a participar en el viaje de reconocimiento de la región austral de América que iba a realizar un buque de la marina inglesa, el HMS Beagle (al mando del capitán Fitz Roy) en calidad de naturalista. Este viaje le permitió coleccionar muestras de minerales, animales y plantas, y realizar observaciones que luego utilizaría para elaborar la teoría de la evolución. Al visitar las islas Galápagos, cercanas a la costa del Ecuador, le llamó la atención que en cada isla había una especie de tortuga distinta, y que también eran distintas a las del continente, situado a unos 950 km. También había un grupo de pájaros, los pinzones, cuyas trece especies se diferenciaban por las formas de sus picos y, en consecuencia, en la manera en que obtenían el alimento. Lo que intrigaba a Darwin era cómo se había originado esta variedad de especies en el archipiélago: si había habido creaciones de especies en forma independiente, o a partir de una única se habían originado las de las distintas islas. Se inclinaba por la segunda opción, pero ¿cómo había ocurrido? El Beagle encallado en Santa Cruz, en 1839, en un dibujo de la época Con este buque Darwin efectuó una expedición alrededor del mundo, realizando numerosas observaciones que le sirvieron para elaborar su teoría de la evolución VI- Charles Darwin y la teoría de la evolución 48 Los seres vivos. Características, origen, evolución La influencia de Thomas Malthus Poco después de su regreso del viaje en el Beagle, Darwin leyó el ensayo del reverendo Malthus (1776-1834), escrito en 1798, acerca de los límites al crecimiento. En este ensayo se sostenía que mientras el crecimiento de la población humana seguía una progresión geométrica, la producción de alimentos lo hacía en forma aritmética, lo cual implicaba que en un plazo relativamente corto el alimento no sería suficiente, a menos que las guerras y enfermedades causaran gran mortandad. Malthus consideraba que en el resto de las especies existían mecanismos que regulaban la cantidad de descendientes, de modo que quedaran muchos menos de los que se podían producir potencialmente; y que el hombre no escaparía a estos mecanismos naturales de regulación. Darwin llevó este razonamiento más lejos, postulando que los mecanismos que frenaban el crecimiento de la población incidían de manera diferente en distintos individuos de la misma. Haciendo una analogía con la selección artificial, que estaba en auge entre los ganaderos, los agricultores y los floricultores de la época, quienes elegían los progenitores con mejores características para mejorar las razas y variedades, consideraba que en la naturaleza había una fuerza de selección que eliminaba a los individuos menos adaptados y favorecía a los que presentaban mejores condiciones. Llamó a esa fuerza selección natural. Para que pudiera actuar la selección natural debía existir variabilidad; así como el hombre elegía los mejores entre una variedad de razas, Darwin atribuyó esa variabilidad al azar, a diferencia de Lamarck, que creía que era el resultado del ambiente y las necesidades de los organismos. Diferencias entre individuos en cuanto a la capacidad, por ejemplo, de obtener alimento o escapar de depredadores, determinaban que unos tuvieran más hijos que otros. Como los hijos tienden a parecerse a los padres, en la siguiente generación habría una mayor proporción de individuos semejantes al primer grupo, y esta tendencia continuaría por generaciones. Esto llevaría a la transformación de una especie original en otra de características distintas. Las nuevas evidencias acerca de la edad de la Tierra le permitían postular este mecanismo, que implicaba cambios graduales, ya que las diferencias entre individuos no debían ser tan grandes como para impedir la reproducción entre ellos y por lo tanto el proceso entero tenía que haber llevado muchos años. 49 El origen de las especies, resultado de un largo trabajo Esta teoría, que estamos sintetizando en pocos renglones, le llevó a Darwin muchos años en los cuales se dedicó a observar los materiales que había recogido en su viaje, reunir nuevas observaciones, leer y analizar distintas teorías, y realizar numerosos experimentos de cría de animales y cultivos de plantas. Aunque poco después de regresar del viaje tenía en la mente el esbozo de su teoría, recién después de haber reunido suficiente información para construir una argumentación sólida, plasmó sus ideas en un libro. Recién en 1856, veinte años después de haber regresado
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