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FISIOLOGIA Víctor H. Fernández 2019 Santo Tomé, provincia de Corrientes. República Argentina Marzo de 2019 Fisiología 2019 Víctor Hugo Fernández PRÓLOGO Desde tiempos inmemoriales, el hombre se ha hecho los siguientes cuestionamientos: ¿cuál es nuestro origen?, ¿qué es la vida y que significa estar vivo?, ¿qué nos hace ser lo que somos?, ¿cómo funciona nuestro cuerpo?, ¿por qué existimos? Los egipcios, los griegos, los chinos y otros con ansias de conocimiento, se han hecho éstas mismas preguntas, junto con otras, y han dado diversas respuestas a estos interrogantes. Una de las ciencias que se ocupa del estudio del funcionamiento de los seres vivos y sus propiedades es justamente la “Fisiología” que, con otras ciencias, trata de contestar algunos de los interrogantes tan complejos como la vida misma. Es por ello que el conocimiento de la fisiología del cuerpo humano es fundamental para comprender la relación del organismo con su entorno y su forma de adaptarse a él. Asimismo, la fisiología constituye uno de los pilares más importantes para las ciencias de la salud, por lo cual el alumno debe estar en posición no solo de conocer los mecanismos básicos que mantienen al funcionamiento del organismo dentro de los parámetros “normales”, sino también de comprender la importancia del manejo de los mismos para entender lo que sucede en condiciones de enfermedad. El propósito de esta obra es ofrecer al alumno los conceptos y conocimientos fundamentales de la fisiología de manera que se posibilite una formación integral, con conocimientos sólidos sobre el funcionamiento del organismo y se alcance un nivel de razonamiento que le permita la resolución eficaz de los problemas de salud de una persona. Para la comprensión de la fisiología es menester que el alumno adquiera conocimientos previos de biología general, anatomía, histología y bioquímica entre otros, ya que los procesos vitales se realizan a nivel celular y éstos están íntimamente relacionados con las reacciones químicas y las estructuras de las células. También es importante entender que las leyes que rigen la vida están intrínsecamente relacionadas con las leyes físicas y químicas, por lo que los fenómenos biofísicos son esenciales para explicar el funcionamiento del cuerpo. Sin embargo, estos conocimientos no son suficientes para explicar los procesos vitales ni entenderlos exclusivamente mediante éstas leyes dado que los fundamentos de la materia viva aún se desconocen en gran medida. Una de las tareas más importantes que deberá emprender el alumno en su estudio es la de construir una visión general del funcionamiento del cuerpo humano mediante la integración de los sistemas lo cual puede lograrse mediante el uso cabal de los conocimientos en la resolución de problemas. Es por ello que deben desarrollarse las habilidades de análisis, síntesis y evaluación de la información, lo cual implica una ardua tarea a llevar a cabo. El autor Marzo 2019 FUNDAMENTOS DE FISIOLOGÍA CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA ESQUEMA DEL CAPÍTULO ✓ Introducción. ✓ EL ESTUDIO DE LA FISIOLOGÍA • Breve Historia de la Fisiología. • La jerarquía de la complejidad • Definiendo “vida”. • Conceptos clave para el estudio y la comprensión de la fisiología. • La química de la vida es parte fundamental de la fisiología. • La física biológica aporta fundamentos para la comprensión de la función. • El estudio de la fisiología requiere del método científico. • Diseño de experimentos. • Datos, teorías y leyes. ✓ LA FISIOLOGÍA EN LAS CIENCIAS DE LA SALUD • Los profesionales de la salud debemos alcanzar competencias. • El marco de referencia, para el estudio de la fisiología, es el paciente. ✓ Libros sugeridos. ✓ Trabajos originales. OBJETIVOS DEL CAPÍTULO 1. Definir a la fisiología y su importancia en el ámbito de las ciencias de la salud. 2. Conocer brevemente los orígenes y la evolución de la fisiología en la historia de la humanidad. 3. Determinar la importancia de la definición de vida. 4. Describir el nivel de complejidad de los seres vivos y en especial de los seres humanos. 5. Conocer la interacción de cada uno de los niveles en el ser humano. 6. Reconocer las ciencias relacionadas al estudio de la fisiología. 7. Definir la importancia del estudio de la fisiología de manera integrativa y explicativa. 8. Evaluar la necesidad de realizar mediciones para el conocimiento de las funciones fisiológicas. 9. Determinar la importancia de la fisiología en la medicina. Fernández, V. H. 1 INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA Introducción Ninguna rama de las ciencias biológicas es tan compleja como la fisiología, ya que tiene como objetivo saber cómo funciona el cuerpo humano y, por ende, saber cuándo funciona mal. Por ende, la fisiología pretende saber cómo funciona el cuerpo, desde los mecanismos moleculares dentro de las células hasta las acciones de los tejidos, órganos y sistemas, y cómo el organismo en conjunto lleva a cabo tareas particulares esenciales para la vida. En esta difícil tarea, se hace hincapié en los mecanismos, con preguntas que empiezan con la palabra “cómo” y respuestas que comprenden secuencias de causa y efecto. Tales secuencias pueden entrelazarse hacia historias cada vez más grandes que incluyen descripciones de las estructuras implicadas (anatomía) y que se superponen con las ciencias de la química y la física. Por ello, la anatomía y la fisiología, junto con otras ciencias, están relacionadas de manera indivisible, pues las partes del cuerpo humano forman una unidad bien organizada y cada una de ellas desempeña un papel en el correcto funcionamiento del organismo como un todo. De este modo, el estudio de la biología del organismo humano proporciona bases sólidas para el conocimiento avanzado del cuidado de la salud en todos los niveles y es de esperarse que existan detalles complejos que deban comprenderse para alcanzar una competencia básica en el campo de las ciencias de la salud con responsabilidad y coherencia. Por tanto, el objetivo consiste en introducir esos conocimientos y poner el resto de los temas en perspectiva, abordando el paradigma de la fisiología y la manera de comprender mejor las bases de la medicina. EL ESTUDIO DE LA FISIOLOGÍA La fisiología (del griego “physis”, naturaleza y “logos”, estudio o tratado1) es la ciencia que se dedica a estudiar cómo funciona el cuerpo humano (Fisiología Humana), poniendo énfasis en los mecanismos específicos de causa y efecto. Este estudio es tan antiguo como la medicina, pero no nació de ella. La fisiología es el estudio del funcionamiento normal de un organismo vivo y las partes que lo componen, incluidos sus procesos químicos y físicos. Una definición más completa dice que “Es la ciencia biológica que estudia las funciones de los seres orgánicos, mediante principios de las matemáticas, la física y la química, dando sentido a aquellas interacciones de los elementos básicos de un ser vivo con su entorno y explicando el “cómo” y el “por qué” de cada diferente situación en que se puedan encontrar estos elementos”. El conocimiento de los mecanismos que subyacen a la función corporal fue obtenido mediante la experimentación, aplicando el método científico. Por ende, mientras que la anatomía estudia la estructura del cuerpo humano, la fisiología estudia su funcionamiento, por lo cual ambos son complementarios y no pueden separarse por completo. Esto es así dado que, cuando se estudia una estructura, se quiere saber qué hace; por tanto, la fisiología da significado a la anatomía, mientras que, a la inversa, la anatomía es lo que hace posible la fisiología.1 Tratado: Obra escrita que trata extensa y ordenadamente sobre una materia determinada. Fernández, V. H. 2 Para una comprensión más profunda del cuerpo humano, partimos del estudio anatómico a través de la disección (el corte y la separación cuidadosos de tejidos para descubrir sus relaciones). Sin embargo, muchos conocimientos de la estructura humana se han obtenido de la anatomía comparada (el estudio de más de una especie para examinar las similitudes y diferencias estructurales, con el objeto de analizar las tendencias evolutivas) dado que muchas de las razones para la estructura humana sólo se aprecian al observar la estructura de otros animales. Pero en ciencias de la salud, la disección no es el mejor método para estudiar a una persona viva, dado que cualquier rotura de las cavidades corporales representa un riesgo. Por ello, casi todas las cirugías exploratorias se han reemplazado con técnicas de imagen (métodos que permiten ver el interior del cuerpo sin necesidad de cirugía) como la radiología, endoscopía, tomografía, etc. Para el estudio de la fisiología requiere del conocimiento básico de la estructura macroscópica y microscópica del cuerpo humano, incluso a nivel molecular. A la estructura que puede verse a simple vista (mediante observación de la superficie, radiología o disección) se le denomina anatomía macroscópica, pero si consideramos que las funciones del cuerpo son, en última instancia, resultado de sus células individuales, se pueden tomar muestras de los tejidos que se segmentan finamente y se les aplican colorantes para la observación mediante un microscopio. En este caso, la histología (anatomía microscópica) se ocupa del estudio las estructuras microscópicas sin alteraciones, mientras que la histopatología explora los tejidos bajo el microscopio en busca de alguna alteración determinada por alguna enfermedad. Ya a nivel celular, la citología estudia la estructura y la función de células individuales, a nivel molecular (ultraestructura) mediante un microscopio electrónico y otras técnicas más complejas. Respecto al estudio del funcionamiento del cuerpo en todos sus niveles, vimos que la fisiología requiere de la experimentación para descubrir, describir y explicar las funciones, pero el gran inconvenientes es que, en la mayoría de los casos, no es posible experimentar con seres humanos; por ello, mucho de lo que sabemos hoy en día proviene de la fisiología comparada que estudia como las diferentes especies han resuelto problemas vitales como el balance hidroelectrolítico, la respiración y la reproducción, entre muchos otros procesos. Como si fuera poco, la fisiología comparada también es la base para el desarrollo de nuevos medicamentos y procedimientos médicos, dado que debe demostrarse, mediante la investigación experimental, que el medicamento o la práctica quirúrgica en animales confiere beneficios al ser humano a expensas de riesgos aceptables para la salud de las personas. Cuando se quiere saber como se alteran los mecanismos normales del funcionamiento corporal por causa de una enfermedad, se hace uso de la fisiopatología, ciencia que se complemente perfectamente con la fisiología. Por ejemplo, una técnica estándar para investigar el funcionamiento de un órgano es observar lo que sucede cuando un órgano se extirpa quirúrgicamente de un animal de experimentación o cuando su función se altera de una manera específica. Este estudio, a menudo es auxiliado por los “experimentos naturales” (enfermedades) que involucran daños específicos para el funcionamiento de un órgano o sistema. Asimismo, la farmacología es la ciencia que aprovecha los conocimientos de la fisiología para estudiar los mecanismos de acción de un fármaco, la respuesta del organismo y los cambios que se producen a lo largo del tiempo. De aquí se desarrollan otras áreas de investigación médica orientadas a la terapéutica clínica. Estos conocimientos se utilizan para mejorar las funciones fisiológicas del cuerpo en personas sanas o para restaurar “artificialmente” alguna función que se ha desviado de la “normalidad” y evitar así desenlaces que pueden ser mortales. Fernández, V. H. 3 Es por ello que, mediante la aplicación del método experimental y el razonamiento crítico, el estudiante se ejercita en la resolución de problemas fisiológicos, los cuales servirán como base para los estudios fisiopatológicos y las indicaciones diagnósticas y terapéuticas que se adquirirán en la etapa clínica. El estudio de la fisiología también requiere de una correcta evaluación de la persona sana, correlacionando la estructura a través del examen visual o inspección del aspecto del cuerpo, base de la exploración física, incluyendo la palpación para percibir la estructura con las manos, la auscultación de los sonidos naturales producidos por el cuerpo (como los cardiacos y los pulmonares) y la percusión mediante pequeños golpes al cuerpo para percibir una resistencia normal y el sonido emitido en busca de signos de alteraciones como bolsas de líquido o aire en lugares que no deben existir normalmente. Todo esto forma parte de la exploración del paciente sano. El aprendizaje de la fisiología consiste, por una parte, en saber definir con precisión las variables determinantes de las diferentes funciones del organismo, y por otra, en saber establecer las relaciones causa-efecto entre dichas variables de forma cuantitativa, si es posible o, al menos, de forma cualitativa. Muchas de estas variables son químicas y otras tantas son físicas, por lo cual, sin estas ciencias sería imposible que conociéramos la relación causa-efecto que subyace a la función corporal. Breve Historia de la Fisiología Es probable que la preocupación por las funciones que mantienen al ser humano vivo haya comenzado desde el mismo inicio de la sociedad. Se han encontrado en cuevas cráneos con orificios que fueron realizados con propósito terapéutico (trepanación). Algunas pinturas encontradas en cuevas de Europa indican que los antiguos conocieron el carácter vital del corazón. El uso muy antiguo de plantas medicinales para tratar dolores da testimonio en el mismo sentido. Algunos datos aparecen en las tablillas sumerias (3000-2000 a.C.) y el Código de Hammurabi, (2000 a.C.), en los cuales se hablan más de creencias mágico-religiosas a partir de una concepción divina del universo, creado por los dioses. La Medicina se refería a la enfermedad causada por malos espíritus y su tratamiento consistía en exorcismos recitados por el médico. Consideraban al corazón, los riñones y el “vientre” como el origen de los movimientos del alma (emociones), la inteligencia, la bondad y la maldad. El hígado fue considerado como el órgano en el que tenían su sede las emociones. La Anatomía se desarrolló en Egipto más que en otras regiones de la antigüedad debido a los trabajos de momificación de cadáveres. En el Papiro de Ebers (3000 a.C.) se describe el embalsamamiento de cadáveres con un buen conocimiento de la anatomía del cerebro, de las meninges y el líquido cefalorraquídeo. En el cerebro residían los mecanismos de control del cuerpo. La posición del corazón, como fuente de los vasos sanguíneos se destaca en el papiro. En el Papiro de Edwin Smith se describe la circulación de la sangre en relación con el corazón y el pulso. Se describe la sangre, partiendo del corazón y llegando a todos los órganos del cuerpo. En la antigua India (5000 a.C.) se encuentra en el Ayurveda (ciencia de la vida) la concepción holística del ser humano, la cual partía de que toda la materia se compone de cinco elementos básicos: tierra, agua, fuego, viento y espacio. El cuerpo humano se compone de derivados de esos cinco elementos en forma de humores, tejidos y productos de desecho. En el siglo II a.C., los chinos hablaban de la fisiología como “la lógica de la vida”, conocían losritmos circadianos del cuerpo humano, la circulación sanguínea y practicaban el aislamiento Fernández, V. H. 4 de fluidos ricos en hormonas, cuya naturaleza y propiedades se desconocían. Los antiguos chinos conocían 28 tipos de pulso que intuían de la bomba cardiaca. La medicina china antigua, como la hindú, se basó en una concepción holística y espacial del individuo en su medio. El ser humano en salud se veía parte de un mundo que estaba en continua interacción, con los estados mentales, la dieta y el estilo de vida jugando un papel decisivo. Los principios fisiológicos se basan la creencia del Tao, que establece que en el universo hay dos fuerzas opuestas e iguales: Yin, y Yang existiendo una interacción natural entre los potenciales opuestos de esas dos fuerzas que se manifiesta como un flujo de energía llamado Chi. Por ensayo y error los primeros humanos fueron adquiriendo conocimientos de las funciones normales y anormales; sin embargo, la Fisiología experimental no podía existir porque carecía del sustento filosófico necesario que solo aparecería en la antigua Grecia. La palabra fisiología significa literalmente “estudio de la naturaleza” o “lógica de la vida”. Aristóteles (384-322 a.C.) utilizó el término en este sentido amplio para describir el funcionamiento de todos los organismos vivos, no solamente el del cuerpo humano. Hipócrates (460-377 a.C.), considerado el padre de la medicina, usaba el término fisiología con el significado de “el poder curativo de la naturaleza” y, por lo tanto, la disciplina se asoció más estrechamente con la medicina. Durante la Edad Media, el pensamiento médico-fisiológico estuvo dominado por los conceptos hipocráticos “actualizados” por Galeno (129-216 d.C.) en el siglo II quien introdujo la disección en cadáveres humanos y la vivisección de animales domésticos. Su fisiología, se basó en las ideas aristotélicas de naturaleza, movimiento, causa y finalidad, con el alma como principio vital según las ideas de Platón, que distinguía entre alma concupiscible (con sede en el hígado), alma irascible (en el corazón) y alma racional (en el cerebro). Jean Fernel (1497-1558) un médico, matemático y astrónomo francés, utilizó por primera vez en 1542 el término griego como “la naturaleza del hombre sano, de todas sus fuerzas y de todas sus funciones”. Sin embargo, esta fisiología de Fernel contenía, al modo galénico, la descripción anatómica del cuerpo dado que, conceptualmente, todo lo que existe está compuesto de materia y forma; de ello deriva el hecho de que todo el desarrollo de la fisiología hasta el siglo XVIII esté dominado por el de la anatomía. Podría decirse que la fisiología científica nace en el siglo XVIII, cuando William Harvey (1578-1657) un médico inglés, en 1628 describe en su libro “Exercitatio Anatomica de Motu Cordis et Sanguinis in Animalibus” (Un estudio anatómico sobre los movimientos del corazón y la sangre de los animales), argumentó su hipótesis utilizando el método científico de que la sangre era bombeada alrededor del cuerpo por el corazón en el sistema circulatorio. Esta hipótesis se basaba en la observación (observaciones anatómicas) y experimentación (vivisección), donde comienza la transición de la “anatomía inanimada” (descripción metódica de las estructuras del cadáver) a la “anatomía animada”. Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) fue un poeta, novelista, dramaturgo y científico alemán quien dijo que “la función es la forma en acción”. Es precisamente en esa época cuando la fisiología empieza a afianzarse en la experimentación mediante el método científico. François Magendie (1783-1855) un médico francés, fundó en 1830 el primer laboratorio de fisiología de Francia. Su alumno más destacado fue Claude Bernard. En 1816 publica su obra “Compendio Elemental de la Fisiología” y en 1821 editó el primer número de su “Revista de Fisiología Experimental”, que posteriormente pasó a llamarse “Revista de Fisiología Experimental y Patológica”, título que indica claramente los intereses y la orientación científica de Magendie. También sentó las bases de la farmacología moderna, al entender que las sustancias químicas contenidas por los remedios naturales debían poder ser aisladas y administradas a los pacientes. Fernández, V. H. 5 Así, Magendie ofrecerá una filosofía de la biología basada en la hipótesis de que los fenómenos biológicos deben poder interpretarse en términos fisicoquímicos, del cual se derivará un nuevo criterio para la tarea del biólogo y, por tanto, la del médico, que consistirá en hacer que sea cada vez mayor el número de fenómenos biológicos que sean interpretados en términos exclusivamente fisicoquímicos. Sin embargo, será el propio Magendie quien establezca un límite a este asertivo reduccionismo, admitiendo la existencia de un núcleo de fenómenos propiamente vitales que nunca podrán ser reducidos a fenómenos puramente fisicoquímicos. Posteriormente, Claude Bernard (1813-1878) un biólogo teórico, médico y fisiólogo francés, expresó que la fisiología era “el conocimiento de las causas de los fenómenos de la vida en estado normal, el cual nos enseña a mantener las condiciones normales de la vida y a conservar la salud”. También propuso que “la fijeza del medio interno es la condición de la vida libre”, sentando las bases para lo que, posteriormente, sería el “paradigma de la fisiología”. Dadas las aportaciones de Bernard, se lo ha llamado el padre de la Fisiología Moderna. A finales del siglo XIX, Walter Cannon (1871-1945) describió en “The Wisdom of the Body” (New York, 1932) los mecanismos fisiológicos que intervienen en el mantenimiento de un equilibrio físico-químico esencial, para lo que propuso el nombre de homeóstasis. Fue un continuador de la hipótesis que estableció Bernard, poniendo de manifiesto no solo la estabilidad relativa de la composición de los fluidos corporales de muchos organismos, sino también la relativa constancia de la organización y del funcionamiento dentro de las células, tejidos y órganos. La gran relevancia de Cannon, fue sobre todo el acuñar el término de homeostasis para referirse a la suma total de esta constancia interna, estructural y funcional. El término implica no solo la condición de estabilidad en sí misma, sino también a los innumerables procesos fisiológicos implicados en su mantenimiento. En el siglo XX siguen a ritmo creciente los descubrimientos fisiológicos, cuyas técnicas de observación se van afinando a medida que se producen los avances bioquímicos y tecnológicos. Sucesivamente se desarrollan la fisiología celular, la electrofisiología, la neurofisiología y otras áreas correspondientes a las diversas especialidades de la medicina (cardiofisiología, endocrinología, fisiología de la reproducción, etc.). También se van difuminando las fronteras entre la fisiología, la bioquímica y la biología molecular, ya que muchos fenómenos considerados como fisiológicos tienen un mecanismo bioquímico, interviniendo procesos a niveles moleculares. Así, por ejemplo, la relajación de los músculos lisos, considerada como un fenómeno fisiológico, se debe a procesos bioquímicos (p. ej. entrada de calcio en las células), electrofisiológicos, hormonales, y moleculares (unión de ligandos a canales moleculares operados por voltaje o por receptores). Bernardo Houssay (1887-1971), farmacéutico a los 17 años y médico a los 23, argentino, recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1947 por su trabajo de la influencia del lóbulo anterior de la hipófisis en la distribución de la glucosa en el cuerpo, de importancia para el desarrollo de la diabetes. En este sentido, Arthur Guyton (1919-2003), médico fisiólogo estadounidense, revolucionó los estudios en fisiología humana durante la segunda mitad del siglo XX y consiguió explicar el sistema cardiocirculatorio a través de desarrollos matemáticos y principiosfísicos. Es el autor del tratado de fisiología básica más completo y es considerado el padre de la fisiología moderna. Sin embargo, en el siglo XXI, la Fisiología Experimental está enfrentando nuevos retos, principalmente aquellos relacionados con el reduccionismo2 dado por los avances 2 El reduccionismo es, en principio, una postura epistemológica que sostiene que el conocimiento de lo complejo debe ser, obligadamente, a través de sus componentes más simples, o que un sistema complejo solamente puede explicarse por la reducción hasta sus partes fundamentales; es decir, la reducción es necesaria y suficiente para resolver los problemas de conocimiento; por ejemplo, los procesos de la biología son reducibles al movimiento químico de la materia y las leyes de la química son explicadas por la física atómica. Fernández, V. H. 6 tecnológicos. Estos problemas son similares a aquellos que se enfrentara en el siglo XVIII, pero en un nuevo contexto y en otro nivel muy superior. En este sentido, la Biología celular y molecular ha posibilitado un salto muy importante en el conocimiento fisiológico pero que no puede suplantar al conocimiento que surge de la integración de éstos con otros producidos en otras áreas de investigación. Asimismo, las crecientes limitaciones bioéticas han llevado a la utilización de la bioinformática para realizar simulaciones en lugar de experimentaciones. Por último, debido a la combinación de un exceso de especialización de moda, con poca utilización del método clínico y con la llegada por globalización cultural de la Medicina holística de la India y China, ha reaparecido una corriente neoanimista-vitalista que niega la existencia de la Fisiología experimental. La jerarquía de la complejidad El organismo es un individuo único, completo y autómata derivado de funciones complejas que dependen de su organización estructural. En general, los organismos se clasifican en tres dominios que son: a) Bacteria. b) Archaea. c) Eukarya. Los seres humanos pertenecemos (en teoría) al dominio Eukarya, reino Animalia, filo Chordata, subfilo Vertebrata y clase Mammalia. Todos los organismos tienen un nombre científico en latín con dos partes, formado por un género y una especie; el binomio para los seres humanos es Homo sapiens (del latín, “homo”, hombre y “sapiens”, sabio). En comparación con otros organismos, los seres humanos tienen varias características distintivas como la postura erecta, locomoción bípeda (capacidad de caminar en dos piernas) y un cerebro grande y bien desarrollado, que permite habilidades analíticas y pensamiento complejo, lo cual lo convierten en un ser racional. Por ello, para el estudio de la fisiología se requiere una exploración del cuerpo humano desde los componentes básicos de toda materia; es decir, de los átomos y las moléculas, a la persona en su totalidad (de lo más pequeño a lo más grande). Varios niveles de organización son los que hay que escalar para comprender la complejidad del organismo humano. Podemos comenzar con el nivel químico, que incluye a los átomos (unidades básicas de la materia más pequeñas que participan en reacciones químicas y tiene las propiedades de un elemento químico) y moléculas (conjunción de dos o más átomos). La materia es todo aquello que ocupa lugar en el espacio y posee masa. Todos los sistemas materiales están formados por átomos y moléculas, y los seres vivos no somos la excepción. Los elementos básicos de la materia viva incluyen a los átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), calcio (Ca) y azufre (S); aunque también son necesarios otros como el hierro (Fe), el cobalto (Co), estaño (Sn), zinc (Zn) y selenio (Se) entre otros. Fernández, V. H. 7 Las moléculas (del latín “molecula”, masa) es un grupo de sustancias eléctricamente neutro y suficientemente estable, compuesto por dos o más átomos en una configuración definida, unidos por enlaces químicos fuertes (covalentes o enlace iónico). La composición de los seres vivos incluye moléculas orgánicas relativamente simples como la glucosa, urea, glicerol, aminoácidos, etc., y otras más complejas como el ácido desoxirribonucleico (ADN), ácido ribonucleico (ARN), glucógeno y proteínas como la hemoglobina, entre otros. También forman parte de su composición moléculas inorgánicas como el dióxido de carbono (CO2), el cloruro de sodio (NaCl) y otras sales fundamentales para la función normal. Subiendo un nivel en el escalón de la complejidad, tenemos al nivel celular. En realidad, este nivel contiene al nivel subcelular constituido por los organelos u organelas, en cuyo caso las moléculas se combinan para formar estas estructuras que conforman a la célula. Las organelas efectúan funciones particulares como las mitocondrias (respiración celular), centriolos (división celular) y lisosomas (digestión celular) entre otros. La célula (del latín “cellula”, hueco) es la unidad estructural y Fernández, V. H. 8 funcional básica de un organismo. Son las unidades más pequeñas capaces de llevar a cabo todos los procesos vitales, por lo cual, no hay nada más simple que una célula y que se le considere vivo, dado que solo en éstas se observa automaticidad. La célula presenta un estado o carácter especial, con capacidad para desarrollarse, mantenerse en un ambiente determinado, reconocer y responder a estímulos, y reproducirse para perpetuar la especie. Según la teoría celular, 1) la célula es la unidad básica de la vida; 2) todos los organismos están compuestos por una o más células; 3) las células se originan en células preexistentes, siendo idéntica a estas, genética, estructural y funcionalmente. Las diferentes clases de células pueden dividirse en cuatro grupos principales que comprenden a las células epiteliales, conectivas, musculares y nerviosas. Cuando las células de la misma naturaleza se agrupan para desempeñar una determinada función, aparece el nivel tisular. Hay solo cuatro tipos básicos de tejido denominados epitelial, conectivo, muscular y nervioso. El tejido epitelial cubre las superficies corporales, reviste los órganos huecos y los conductos, y forma glándulas. El tejido conectivo sostiene y protege los órganos, almacena grasa y ayuda a conferir inmunidad al organismo contra agentes agresores. El tejido muscular se contrae para generar movimiento y responde a cambios del medio externo o interno del organismo. El tejido nervioso detecta cambios del medio interno o externo del organismo y responde a ellos. El nivel de órgano está compuesto por, al menos, un órgano que es una estructura constituida por dos o más tejidos diferentes, trabajando conjuntamente para realizar funciones definidas. Tienen límites anatómicos precisos y es posible distinguirlos a simple vista de las estructuras Fernández, V. H. 9 adyacentes (por disección o técnicas de imagen). El estómago, el corazón, el hígado, los pulmones, el cerebro y la piel son ejemplos de órganos. Sin embargo, algunos órganos se encuentran dentro de otros (los órganos grandes, que son visibles a simple vista, a menudo contienen órganos más pequeños que sólo son visibles al microscopio) como la piel, que es el órgano más grande del cuerpo e incluye miles de órganos más pequeños (cada pelo, uña, glándula, nervio y vaso sanguíneo de la piel es un órgano). Asimismo, un solo órgano puede formar parte de dos sistemas. Por ejemplo, el páncreas pertenece a los sistemas endocrino (por sus secreciones endócrinas) y digestivo (por sus secreciones exocrinas). El nivel de sistema de órganos consiste en órganos relacionados con una función común. Un ejemplo de sistema es el aparato digestivo, que degrada y absorbe los alimentos. Sus órganos comprenden la boca, las glándulassalivales, la faringe, el esófago, el estómago, el intestino delgado, el intestino grueso, el hígado, la vesícula biliar y el páncreas. Por último, el nivel de organismo es el máximo nivel que conforma a un individuo con vida. Por ende, todos los sistemas del organismo trabajan en conjunto para mantener la vida de manera “adecuada”. Si bien el estudio de los procesos fisiológicos se centra en el nivel de organismo (integración de todos los mecanismos que hacen al ser vivo), es importante comprender que el organismo humano (individuo) se encuentra en directa interacción con los demás organismos influyendo unos sobre otros en diferentes niveles de la vida; es por ello que el estudio de la fisiología no puede dejar de lado al nivel de población de igual especie. ATOMOS MOLECULAS ORGANELA CELULA TEJIDO ORGANO SISTEMA Y APARATO ORGANISMO POBLACIÓN DE IGUAL ESPECIE ECOSISTEMA DE DISTINTAS ESPECIES BIOSFERA QUIMICA BIOLOGIA MOLECULAR BIOLOGIA CELULAR FISIOLOGIA ECOLOGIA Fernández, V. H. 10 Los individuos de una misma especie, que habitan una determinada área geográfica, constituyen una “población” y las diferentes poblaciones que habitan dicha área interactúan entre sí para formar una “comunidad”. Una comunidad junto con el medio en que vive constituye un “ecosistema” que es la unidad de organización fundamental de la “Ecología”. Por todo lo expuesto, dado que los niveles de complejidad biológica son tan amplios, los campos de estudio se han vuelto tan grandes que se ha tenido que dividir en varias disciplinas y, como se observa en el gráfico anterior, la fisiología abarca parte de la química y a la biología celular y molecular, a la vez de que se mezcla con parte de la ecología. Sin embargo, es importante advertir de que esta división no es más que artificial, dado que no en la realidad no se pueden separar los procesos bioquímicos (estados “microscópicos” o microestados) de los procesos fisiológicos (estados macroscópicos o macroestados). Definiendo “vida” Una cuestión fundamental, con implicancias en todos los niveles de la vida del ser humano, es justamente “el problema la vida”. De su definición surgen problemas, no solo médicos, sino también morales, éticos, religiosos e incluso legales, y es justamente en fisiología donde comenzamos a estudiar eso que llamamos vida. Debido a que durante muchos años los científicos fueron incapaces de definir que era la vida, los biólogos tomaron las funciones de los seres vivientes como la definición de la vida. Aunque estudiemos la vida por la observación de los macroestados3 de los seres vivientes (que es lo que ocurre en el organismo como la respiración, la circulación sanguínea, etc.), estos macroestados no son la vida (no es la vida la locomoción, ni la digestión ni otras características observables de un individuo). Por ello, los seres vivientes experimentamos vida, pero no somos la vida. Tampoco podemos decir que la estructura es la vida, ni que el conjunto de procesos realizados por las estructuras vivas es la vida. La capacidad de los seres vivientes para evitar no- espontáneamente el aumento de la desorganización (entropía4) reside en un estado de la energía en el cual la diferencia fundamental está en la posición de sus respectivos operadores; es decir, mientras que el operador de las máquinas es externo a ellas, el operario de los seres vivientes está dentro de nosotros mismos, lo cual permite una autonomía completa del organismo para capturar la energía del ambiente y dirigirla, mientras que la máquina no puede tomar energía del ambiente por sí misma. Sin embargo, la vida no es la autonomía en sí, sino un estado de la energía que comunica autonomía temporal a los seres vivientes para establecer intervalos en la tendencia de su energía interna a ser dispersada o difundida (desorganización). Por ende, la autonomía es una característica de los seres vivientes, pero no es la vida, sino una propiedad conferida por la posición y el movimiento de la energía interna de los biosistemas. La posición y los movimientos de la energía en un biosistema son los que generan las propiedades termodinámicas de los seres vivientes. La reproducción, la herencia y la 3 El macroestado se refiere al estado del sistema determinado a partir de unos pocos parámetros o estados termodinámicos; es decir, descripción macroscópica del sistema. En el cas de los seres vivos se refiere a los parámetros como temperatura corporal, presión arterial, niveles de metabolito y electrolitos en los líquidos corporales, etc. 4 La entropía es una magnitud de la termodinámica como la temperatura, la densidad, la masa o el volumen. Se representa mediante la letra S y sirve para explicar por qué algunos procesos físicos suceden de una determinada manera midiendo el grado de desorden de un sistema a nivel molecular. Fernández, V. H. 11 evolución dependen de las estructuras moleculares, no de la vida. Cada clase de serie molecular confiere las propiedades específicas al macroestado que experimente esa clase de arreglo molecular. Así, observamos moléculas como el ADN que pueden almacenar información para el desarrollo de los seres vivientes; nucleótidos que pueden almacenar energía para favorecer otros procesos; proteínas que pueden ser excitadas por fotones para la captura de energía del ambiente, etc. Sin embargo, las estructuras solas no son vida y ellas no confieren la vida, pero, para que un sistema dado experimente la vida, debe poseer un arreglo molecular definido. También, para que la vida sea continuada, son necesarias estructuras específicas que puedan reproducirse y pueden establecer un rango de estabilidad de su estructura específica. Por ejemplo, un trozo de Uranio 235 (235U), posee un gran potencial de energía, pero por sí solo no es capaz de administrarlo, principalmente porque un mineral no posee las condiciones necesarias para automantenerse, no opone resistencia ni se regenera, ni se opone al cambio de su estado preferente, principalmente porque carece de un sistema de arreglo de cargas que le otorguen capacidad para disponer su estructura de forma beneficiosa para sí mismo. Entonces, la dificultad para definir “qué es la vida” radica en que ésta no es una cosa que pueda tocarse, sino un estado que solamente puede describirse. Por su parte, si bien la vida está representada por los seres vivientes, no podemos decir que éstos sean la vida, pues al morir las estructuras continúan, al menos por un tiempo, pero como materia inerte (no viviente) aunque muchas células sigan “vivas” por horas o días e incluso creciendo como el pelo o las uñas. Por ende, no existe una definición de vida, sino que, a partir de observaciones directas e indirectas del estado térmico de las estructuras vivas, puede sugerirse que “la vida es la dilación en la difusión o dispersión espontánea de la energía interna de las biomoléculas hacia más microestados5 potenciales”. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado en su interpretación dado que podríamos decir que todo aquello que mantiene su organización estaría vivo, por lo cual, si la vida fuera la resistencia a aumentar su entropía local, entonces toda la materia en este universo estaría viva. Desde un punto de vista biológico, la vida es un conjunto de características que ayudan a distinguir a los seres vivos de los no vivos. Estas características incluyen: a) Organización: los seres vivos poseen un nivel de organización mucho mayor que los no vivos y gastan una gran cantidad de energía para mantener un cierto orden. Una alteración de tal organización se acompaña de enfermedad y, consecuentemente, la muerte del organismo. b) Composición: los seres vivos están compuestos principalmente por materia orgánica y presentan estructuras compartimentalizadasmediante membranas biológicas, lo cual favorece la división de trabajo especializado en la célula. c) Metabolismo: los seres vivos necesitamos consumir energía para realizar todas sus funciones vitales como mantener activos los órganos, impulsar los distintos fluidos corporales, mantener los potenciales celulares y las bombas iónicas de las membranas, movernos, etc. Esa energía la adquirimos en forma de energía química contenida en los alimentos y liberada, principalmente a través de procesos de oxidación, por lo cual requiere de consumo de oxígeno proveniente del aire mediante la respiración eterna o ventilación pulmonar. El metabolismo es el conjunto de procesos que sirven para transformar esa energía química en energía utilizable por el organismo, y llamamos tasa o ritmo metabólico a la cantidad de energía por unidad de tiempo consumida por un 5 El microestado un estado molecular el cual queda especificado si se conoce la posición y velocidad de cada molécula del sistema. En consecuencia, diferentes microestados corresponden al mismo macroestado. Fernández, V. H. 12 organismo para poder atender a todas sus funciones; es decir, una cantidad con dimensiones de potencia. La cantidad de energía consumida por unidad de tiempo cuando el individuo se encuentra en reposo se llama tasa metabólica basal (TMB) o tasa metabólica en reposo. Consta de dos clases de reacciones: i. Anabolismo: en el que se sintetizan moléculas de mayor complejidad a partir de otras más sencillas (p. ej., proteínas a partir de aminoácidos) con gasto de energía en forma de ATP. ii. Catabolismo: en el que se desdoblan o degradan moléculas de mayor complejidad en otras más sencillas (p. ej., digestión de proteínas). De manera inevitable, el metabolismo produce desechos químicos, algunos de los cuales son tóxicos para las células en caso de que se acumulen. Para ello, se requiere de excreción, que consiste en extraer desperdicios de los tejidos y eliminarlos (expulsarlos) del cuerpo. Las moléculas del organismo son sustituidas continuamente mediante la alimentación. A pesar de que cada persona percibe una continuidad en su personalidad y sus experiencias desde la infancia al presente, casi todo su cuerpo fue reemplazado en el último año. d) Irritabilidad: es la capacidad del organismo para percibir y reaccionar ante un estímulo (cambios internos o externos -entorno-, excitabilidad). Ocurre desde el nivel celular hasta el nivel de organismo. Por ello, incluye a todos los seres vivos, desde las bacterias hasta el ser humano. La capacidad de respuesta es obvia sobre todo en los animales, porque sus células nerviosas y musculares son muy sensibles a los estímulos del entorno y transmiten con rapidez la información y las reacciones rápidas. Asimismo, casi todos los organismos vivos tienen la capacidad de desplazarse de un lugar a otro con propulsión propia y todos los organismos y células tienen, cuando menos, la capacidad de desplazar sustancias en su interior, como el paso de alimento por el tubo digestivo o el desplazamiento de las moléculas y los organelos de un lugar a otro de la célula. e) Desarrollo: es el cambio de forma y/o función que ocurra durante toda la vida de un ser vivo. En la mayoría de los organismos, ocurre mediante la diferenciación o transformación de las células no especializadas (inmaduras) en otras con funciones bien definidas, y el crecimiento a través de un aumento en el tamaño (hipertrofia) o el número (hiperplasia) celular. f) Reproducción: mediante copias de sí mismos y, así, transmitir sus genes a nuevos recipientes, más jóvenes. Si bien un virus (del latín, toxina o veneno) puede replicarse, solo puede hacerlo dentro de las células de otros organismos por lo cual no se lo considera un organismo vivo. g) Adaptación o evolución biológica: se refiere a la capacidad de los seres vivos de adecuarse al medio en el cual vive mediante cambios genéticos de una generación a otra en una especie determinada. Esta variación se debe a que las mutaciones (cambios en la estructura del ADN) son inevitables y a que las presiones selectivas del entorno propician mayor éxito reproductivo para algunos individuos que para otros. A diferencia de las demás características de la vida, la evolución sólo se aprecia en la población como un todo ya que ningún individuo evoluciona en el curso de su vida. h) Homeostasis: se refiere a la capacidad que tiene un ser vivo de mantener sus condiciones estables (dentro de ciertos parámetros) aunque cambie el entorno que lo rodea. Por otra parte, los criterios clínicos y legales para definir la vida difieren de los criterios biológicos. Por ejemplo, una persona que no ha mostrado ondas cerebrales en 24 horas y que no tiene reflejos, respiración o latidos cardiacos, aparte de los proporcionados por el equipo artificial de reanimación cardiopulmonar, puede ser declarada legalmente muerta. Sin embargo, Fernández, V. H. 13 en ese momento, la mayor parte del cuerpo aún está “biológicamente viva” y es posible que sus órganos sean útiles para trasplante. Conceptos clave para el estudio y la comprensión de la fisiología La fisiología estudia las funciones de los seres vivos y cómo un organismo lleva a cabo las diversas actividades vitales, por lo cual, estructura y función son indisolubles. Cuando hablamos de función, nos referimos a una actividad particular de algo que, a su vez, puede pertenecer a un conjunto de elementos de mayor jerarquía (según los niveles de organización). Pero, es importante entender también que, cuando hablamos de función, nos referimos a saber qué hace el sistema, para que lo hace y cómo lo hace. Por ejemplo, para saber cómo funciona un músculo como el bíceps (órgano muscular esquelético), debemos saber primero su estructura macroscópica (forma, ubicación, tamaño, inserciones, etc.) y microscópica (células y tejidos que lo conforman) incluyendo el nivel ultraestructural (miofibrillas, miofilamentos, etc.). Pero, si nos centramos solo en sus partes, estaremos siendo reduccionistas. El enfoque reduccionista asegura que un sistema grande y complejo como el del cuerpo humano puede comprenderse mediante el estudio de sus componentes más simples. Si bien este método resulta ser muy importante aun en la actualidad, por sus incuestionables resultados para el razonamiento científico, no es suficiente para comprender las funciones vitales de un sistema o del organismo completo. Para ello, se debe hacer uso de un enfoque complementario denominado holismo. El enfoque holístico, afirma que el organismo, como un todo, tiene “nuevas propiedades” que no son posibles pronosticar a partir de las propiedades de las partes separadas (el ser humano es más que la suma de sus partes). Estas son las denominadas “propiedades emergentes”. Por ejemplo, la vista es una propiedad emergente, como también lo es la percepción del color. Las emociones como el miedo, la ira y la ansiedad, entre otros, también son propiedades emergentes y forman parte de la fisiología humana puesto que son expresiones de conducta. Una vez que conocemos la estructura, la fisiología nos impulsa a saber cómo funciona un órgano en un sistema que forma parte de un organismo para la vida misma. Por ello, no es suficiente saber qué hace el órgano o sistema y para qué lo hace sino es fundamental saber cómo lo hace. Por ejemplo, sabemos que el corazón es el órgano muscular principal del aparato circulatorio, constituido por cuatro cavidades (dos aurículas y dos ventrículos separados por válvulas) cuya forma es piramidal, situado en la cavidad torácica (mediastino). Esta es la descripción anatómica del órgano y nos indica, brevemente, qué es. Cuando decimos que el corazón funciona como una bomba aspirante e impelente, bombeando la sangre a todo el cuerpomediante la contracción muscular de sus paredes y de forma sincrónica (primero aurículas y luego ventrículos), estamos describiendo la función (descripción funcional), pero debemos entender que esto no implica saber fisiología dado que lo que necesitamos es comprender realmente como lo hace; es decir, debemos explicar los mecanismos subyacentes al proceso de Fernández, V. H. 14 bombeo sanguíneo y sus adaptaciones a los cambios en el medio intracelular, extracelular o en ambos a la vez. Por ende, si bien suele confundirse la palabra describir con explicar, la descripción6 implica un nivel más superficial mientras que la explicación7 involucra un nivel más profundo. En este sentido, la descripción fisiológica del corazón significa conocer qué hace a nivel de tejidos y órgano; pero la explicación de cómo lo hace, necesariamente nos lleva a un nivel ultraestructural mediante la explicación de la secuencia de eventos temporales que se desarrollan para que los miofilamentos se “contraigan y se relajen” y como éstos eventos cambian según lo hacen los estímulos externos o internos a la célula muscular o unidad motora. En este mismo sentido, también es común confundir lo que un sistema hace o para qué sirve, con los mecanismos subyacentes a cómo lo hace. Decir que el corazón es un órgano que bombea sangre a todos los tejidos vascularizados del organismo, es señalar para qué sirve el corazón o qué es lo que hace; esta es una respuesta teleológica8 acerca de la función del corazón, pero no responde a como hace lo que debe hacer. Cuando se explica realmente como algo hace lo que hace, entonces se da una respuesta mecanicista del proceso. Por ello, ambos enfoques (teleológico y mecanicista) son necesarios para comprender la fisiología, pero no son suficientes por separado. Cuando somos “alumnos”, a menudo confundimos los enfoques teleológicos y mecanicistas en el pensamiento sobre la fisiología y, en ciencias de la salud, se observa a menudo que los estudiantes tienden a responder las preguntas con explicaciones teleológicas cuando la respuesta más apropiada sería una explicación mecanicista. A menudo, esto ocurre porque el profesor pregunta “por qué ocurre un evento fisiológico”, cuando en realidad quiere saber “cómo”. Por ello, comprender realmente estos dos enfoques ayudará a evitar esta confusión, a veces muy problemática en la formación profesional. La química de la vida es parte fundamental de la fisiología La célula es la unidad primordial de la vida y está formada por las organelas cuya estructura básica comprende al citoplasma, rodeado por una membrana plasmática que lo separa del medio exterior, y un núcleo, también rodeado por una doble membrana que lo separa del citoplasma, característico de los organismos “eucariotas”. La fisiología, a nivel celular, trata de explicar los procesos vitales mediante la nutrición celular (incorporación de nutrientes), su relación (respuesta frente a estímulos internos y externos) con el entorno (irritabilidad) y la reproducción (división celular). Todos estos procesos implican reacciones químicas que deben desarrollarse bajo un estricto control para que no se altere su función y el desequilibrio lleve a la enfermedad de la célula y su muerte. En este sentido, la química de la vida, “química biológica” o “bioquímica”, es la ciencia de los constituyentes químicos de las células vivas, de las reacciones y los procesos que experimentan, por lo cual se dedica más en profundidad al estudio de estos procesos (conocimiento de los microestados). Además, la bioquímica abarca grandes áreas de la biología 6 La descripción (del latín “descriptio”, describir) es la acción y efecto de representar a algo o alguien a través del lenguaje con diferentes grados de profundidad. Es un proceso que representa lo “que es”. 7 La explicación (del latín “explicatio”, explicar) es un proceso cognitivo que manifiesta “el qué”, “el cómo”, “el por qué” y “el para qué” de un suceso o evento. Este proceso debe ser coherente y lógico y estar destinado un interlocutor competente dada su complejidad. 8 La teleología (del griego, “teleos”, finalidad, y “logos”, discurso, tratado o ciencia) es el estudio de los fines o propósitos de algún objeto o algún ser, o bien literalmente, a la doctrina filosófica de las causas finales. Fernández, V. H. 15 celular y molecular y la genética molecular, que contribuyen al conocimiento profundo de la fisiología. El principal objetivo de la química biológica es el entendimiento completo, en el nivel molecular, de todos los procesos químicos relacionados con las células vivas. Por ello, La fisiología se superpone con la bioquímica casi por completo y su comprensión permite conocer los procesos tanto en salud como en enfermedad. La física aporta fundamentos para la comprensión de la función. No cabe duda de que la biología es una ciencia que ha aportado datos relevantes sobre los procesos que se producen en la materia viva, en una escala que va desde la molécula hasta un organismo completo. Sin embargo, estos datos por sí mismos son insuficientes para generar una comprensión real de estos procesos, debido a la ausencia de un marco conceptual construido sobre la física de materia compleja no en equilibrio estático. No se trata de aplicar los conceptos físicos conocidos a una serie de sistemas, sino de buscar explicaciones a través de nuevos principios de autoorganización que permiten a estos sistemas formarse y funcionar como lo hacen o lo podrían hacer. Tampoco se trata de integrar la física con la fisiología, sino de usar la física de los sistemas biológicos para su total comprensión como se requiere en las ciencias de la salud. Considerando que la vida requiere de una estructura molecular autoorganizada capaz de intercambiar energía y materia con el entorno con la finalidad de automantenerse, renovarse y finalmente reproducirse, es importante partir del estudio de este conjunto de partes o elementos organizados y relacionados que interactúan entre sí para lograr estos objetivos. Esto es a lo que se llama sistema. La célula es un sistema de organelas constituidos por agregados moleculares; sin embargo, como estos agregados moleculares de las organelas son diferentes y se conectan entre sí para llevar a cabo una determinada función, también son sistemas. Por ello, se habla de subsistemas cuando existen sistemas dentro de otros más complejos. De la interacción de los componentes del sistema o subsistemas se pretende conocer las leyes que expliquen su comportamiento dentro de un conjunto de sistemas que conformarían el suprasistema. Asimismo, una característica fundamental de los sistemas vivientes es que se encuentran separados del medio ambiente o entorno, mediante membranas biológicas, las cuales controlan el tráfico de sustancias y, hasta cierto punto, de energía. Es por esto que los sistemas biológicos son abiertos, en el sentido de intercambiar materia y energía, pero de manera estrictamente controlada para que no se altere su función y desencadene una enfermedad al grado en que se produzca una desorganización total y produzca la muerte del sistema vivo. Todo esto es válido en todos los niveles del ser vivo, desde la célula hasta el organismo o individuo. Fernández, V. H. 16 Como ya se ha visto, los sistemas vivos son extremadamente complejos dado que “su todo es superior a la suma de sus partes”, mostrando propiedades emergentes como resultado de las interconexiones y que son, a su vez, diferentes de las propiedades de cada parte. Esta propiedad emergente de los seres vivos es, justamente, la vida. Las propiedades sistémicas (o suprasistémicas), por tanto, son eliminadas cuando el sistema es diseccionado en elementos aislados. Si bien parael estudio es necesario fragmentarlos, los sistemas complejos no son divisibles y se caracterizan por ser irreductibles, por lo cual, su relación causa-efecto se encuentra ligada a múltiples variables; es decir, un efecto puede no siempre tener una misma causa y una misma causa no tiene por qué dar lugar siempre a un mismo efecto. Asimismo, los sistemas complejos no son computables de manera sencilla y no los podemos fabricar de forma artificial9 (al menos hasta el momento que sí se ha logrado formar algunos tejidos y órganos artificiales). Todo sistema biológico es, además, robusto por definición, esto quiere decir que son capaces de mantener su estado y función frente a perturbaciones (alteraciones) tanto externas como internas. Esto se desprende de su condición de adaptabilidad (capacidad de adaptarse o adecuarse), por lo cual, cuanto más complejo es un organismo más fino es la regulación de sus procesos y, por consiguiente, más robustos son y toleran mejor los pequeños cambios sin que aparezcan enfermedades o, incluso, la muerte. Todo sistema biológico, además de ser robusto y poseer una serie de propiedades emergentes que los caracterizan, es un sistema autopoyético (con capacidad autoorganizativa y de autocatálisis espontáneas que aportan a los sistemas biológicos un orden antientrópico). El orden es propio de los sistemas complejos vivos que deriva de su estructura interna como materia y se sirve de los procesos de retroalimentación positiva y negativa que, además, aportan adaptabilidad al sistema. Este orden o patrón surge del propio sistema y es inherente a él, es una propiedad emergente y no es impuesto por el entorno. El patrón alcanzado a nivel sistémico surge de la interacción de los elementos integrantes. Como si fuera poco, los sistemas biológicos son sistemas dinámicos cuyos parámetros internos (variables de estado) siguen una serie de reglas temporales. Son dinámicos porque sus parámetros varían con respecto al tiempo y por azar. Por ende, la fisiología, como ciencia que estudia la función de los seres vivos, utiliza modelos físico-matemáticos para poder conocer la factibilidad de una o varias respuestas frente a uno o varios estímulos sobre un sistema concreto. Muy fácil sería si los sistemas biológicos fueran deterministas. Un sistema determinista es aquel en el cual el azar no está involucrado en los futuros estados del mismo; es decir, si se 9 No hay que confundir lo artificial como en el caso del “corazón artificial”, que emula a este órgano mediante materiales sintéticos (tejidos animales químicamente tratados) y fuentes de suministro de energía (baterías de Li- ion), mientras que también suele llamarse “artificial” a órganos artificiales como en el caso del hígado producido mediante la utilización de células madres. Fernández, V. H. 17 conoce el estado actual del sistema, las variables de ambiente y su comportamiento frente a los cambios del entorno, entonces se puede predecir con gran precisión el estado siguiente del sistema”. En este caso un estímulo sobre el sistema causaría un cambio bien definido por lo cual sería, a su vez, un sistema lineal. Por ejemplo, el aumento en el consumo de sal incrementa el nivel de sodio y cloro en sangre en la misma proporción. Sin embargo, los sistemas vivos son sistemas que se comportan estocásticamente; es decir, sus respuestas frente a un estímulo determinado no pueden conocerse dado que dicha respuesta es azarosa (sistemas dinámicos). Un sistema estocástico es un sistema cuyo comportamiento es no determinista, en la medida que el subsiguiente estado del sistema está determinado tanto por las acciones predecibles del proceso como por elementos aleatorios (no predecibles). En este caso, es un sistema no lineal por lo cual no es factible hacer predicciones matemáticas con precisión. Sin embargo, cualquier desarrollo temporal puede analizarse en términos de probabilidad. Frente a este comportamiento caótico de los sistemas vivos, pueden llegarse a conclusiones aproximadas mediante la aplicación de conceptos lineales en parte y probabilísticos en otros, según los factores implicados en el proceso en estudio. En este sentido, la Teoría del Caos se basa en la posibilidad de encontrar una explicación a la aleatoriedad en los sistemas caóticos y puede ser definida como “el estudio del comportamiento dinámico aperiódico (que no se repite periódicamente) mostrado por sistemas deterministas no lineales”. Esto conlleva a nuevos problemas, pero podemos construir un modelo que defina el comportamiento del sistema en estudio, “disminuyendo” su cualidad de aleatorio. Así pues, la idea de poder aplicar una fórmula matemática a cualquier sistema y predecir sus estados a lo largo del tiempo se impone al pensamiento de indeterminismo. De entre las muchas áreas en los que se han producido desarrollos significativos como resultado de la aplicación de los principios de la Teoría del Caos en sistemas biológicos y biomédicos, destacan los estudios sobre el comportamiento de los sistemas metabólicos (glucólisis), el análisis de las enfermedades cardiacas o la actividad cerebral, así como en epidemiología. En el ámbito de la fisiología y la salud, sin duda el corazón y el cerebro son los sistemas que más atención han recibido debido a la frecuencia con la que su comportamiento manifiesta aparente desorden y caos. No obstante, otros procesos tales como la movilidad en el tracto gastrointestinal muestran dinámicas complejas. Uno de los objetivos del análisis de los sistemas complejos, ya sea para explicar una función y predecir una enfermedad, es encontrar si existe algún indicio o alguna evidencia que, de persistir en este comportamiento, va a desencadenar una situación caótica que muchas veces no es controlable. Para analizar los fenómenos caóticos, una variable temporal es el objeto de estudio. Se comienza buscando periodicidades y si se encuentran, el sistema es regular. Al estudiar un sistema dinámico, podemos tener tres posibilidades: a) Que se conozcan las ecuaciones que determinan su comportamiento, pudiéndose analizar, resolver y determinar cuándo el sistema se comportará en forma caótica según el valor de los parámetros de control que se varían y de las condiciones iniciales. b) Que no se conozcan las ecuaciones pero que se pueda desarrollar un modelo. El problema es que un modelo no es una copia fiel de la realidad, sino que se trata de una aproximación lo más que se puede. Sin embargo, se puede ir utilizando otros modelos para ir perfeccionando el que ya se tiene hasta encontrar las ecuaciones adecuadas. Fernández, V. H. 18 c) Que se tengan datos experimentales. Lo que se mide es una consecuencia de la variación de muchos factores desconocidos. Se intenta averiguar cuántos son los factores desconocidos y relevantes para determinar el sistema, porque puede ser que haya factores desconocidos que no son relevantes y que no influyen en el comportamiento del sistema. En definitiva, la complejidad dinámica de la vida no puede describirse con métodos causales lineales, son necesarias la Teoría del Caos y el concepto de sistema termodinámicamente abierto. El estudio de la fisiología requiere del método científico La fisiología, como ciencia, trata de explicar los fenómenos que ocurren en la naturaleza de los seres vivos y, por ende, debe basarse en hechos demostrados a través de la investigación experimental, lo cual implica delinear una manera sistemática de buscar similitudes, diferencias y tendencias en la naturaleza, y desarrollar generalizaciones útiles a partir de hechos observables, mediante un razonamiento que proporcione información confiable, objetiva y comprobable acerca de la naturaleza. En este sentido, el método científico es un procedimiento para descubrir las condicionesen que se presentan sucesos específicos, caracterizado por ser tentativo, verificable, de razonamiento riguroso y de observación empírica. No se basa en la opinión de “expertos” o los gustos y deseos de las personas; sino en la observación cuidadosa, el razonamiento lógico y análisis honesto de las observaciones y conclusiones de una investigación. En el caso de las ciencias de la salud, resulta importante comprender esto, dado que este campo está sembrado con muchas teorías pseudocientíficas y se han llevado a cabo más fraudes que en cualquier otra área de las ciencias. Con frecuencia es necesario juzgar cuáles aseveraciones son verdaderas y cuáles falsas. Para hacer estos juicios dependemos de una apreciación de la forma en que piensan los científicos, cómo establecen las normas sobre lo que es verdadero y por qué sus aseveraciones son más confiables que otras. Un método utilizado en las ciencias, y por ende en ciencias de la salud, es el método inductivo. Este método implica el proceso mediante el cual se hacen numerosas observaciones, hasta que se adquiere confianza para realizar generalizaciones y predicciones a partir de ellas. Por ejemplo, lo que se sabe de anatomía es producto del método inductivo. Se describe la estructura normal del cuerpo con base en observaciones de muchos cuerpos (cadáveres) y luego se supone (con bases científicas) que todos los organismos de la misma especie son similares. Mediante el método inductivo, no se puede demostrar una aseveración más allá de toda refutación posible, pero es probable considerar que una conclusión está demostrada más allá de la duda razonable cuando se llegó a ella por métodos de observación confiables, se probó y confirmó de manera repetida y no se halló que fuera falsa mediante cualquier observación creíble. Por este motivo, en ciencia todo lo verídico es tentativo; no hay espacio para el dogma (creencias subjetivas sin demostración) y siempre se debe estar preparado para abandonar la verdad de los hechos si aparecen otros nuevos que superan a los anteriores y mejoran el conocimiento de la realidad. Por otra parte, la mayoría del conocimiento fisiológico se adquirió por el método hipotético- deductivo, mediante el cual un investigador empieza por plantear una interrogante y formular una hipótesis (una especulación informada o una respuesta posible a la pregunta científica). Fernández, V. H. 19 Una buena hipótesis debe ser compatible con lo que ya se sabe y contar con posibilidades de ser demostrada (o ser refutada) con pruebas. La refutación científica implica que cuando se asegura que algo es científicamente verdadero, se debe tener capacidad de especificar qué prueba se realizaría para demostrar que es incorrecto. Cualquier cosa que no fuera posible refutar como incorrecta, entonces no sería científica. La finalidad de una hipótesis consiste en sugerir un método para responder una pregunta y, a partir de ella, un investigador hace una deducción, por lo general en forma de predicción: “si… entonces…”. Por ejemplo, si se aumenta el consumo de sal, entonces aumenta la volemia y, por ende, la presión arterial (relación causa-efecto) Un experimento realizado de manera apropiada permitirá observaciones que apoyen una hipótesis o, bien, causen que los científicos la modifiquen o la abandonen, formulen una mejor hipótesis y la prueben. Diseño de experimentos La ejecución apropiada de un experimento conlleva varias consideraciones importantes como sigue: a) Qué se va a medir y cómo se planea hacerlo. b) Qué efectos van a observarse y cuáles no. c) Cómo asegurarse que los resultados se deben a las variables manipuladas por el investigador. d) Cuando se trabaja con seres humanos, cómo evitar la influencia subjetiva de los sujetos de experimentación sobre los resultados. e) Como evitar que los propios prejuicios del investigador influyan en los resultados. Varios elementos del diseño de experimentos tienen el fin de resolver estas dudas: a) Tamaño de la muestra. El número de sujetos (animales o personas) usados en un estudio es el tamaño de la muestra. Con un tamaño adecuado se controlan acontecimientos azarosos y variaciones individuales en la respuesta, con lo que es posible confiar mejor en el resultado. Esto es así dado que los seres vivos, y por ende el ser humano, tienen una enorme variabilidad genética y medioambiental. Por ejemplo, ¿se tendría más confianza en un fármaco probado en cinco personas o en uno probado en 5000? ¿Por qué? b) Testigos. Los experimentos biomédicos requieren comparación entre personas tratadas y no tratadas, para que se pueda juzgar si el tratamiento produjo algún efecto. Un grupo de referencia (o grupo testigo) está conformado por pacientes con características que se parezcan lo más posible a las del grupo de tratamiento, excepto respecto de la variable que se analice. Por ejemplo, se ha demostrado que el ajo reduce la colesterolemia. En un estudio, se administraron 800 mg diarios de polvo de ajo a voluntarios con alta concentración de colesterol durante cuatro meses y se observó un promedio de 12% de reducción en la colesterolemia. ¿Se trató de una reducción significativa y se debió al ajo? Es imposible saberlo sin comparar el resultado con el de un grupo de referencia de personas similares que no recibieron tratamiento. En dicho estudio, el grupo de referencia sólo promedió 3% de reducción, de modo que al parecer el ajo propició una diferencia. c) Efectos psicosomáticos. Son los que ejerce el estado mental en la fisiología; su influencia puede ser indeseable en los resultados de experimentos, si no son controlados. Por tanto, en la investigación farmacológica se acostumbra administrar un placebo (una Fernández, V. H. 20 sustancia sin efecto fisiológico significativo sobre el cuerpo) al grupo de referencia. Por ejemplo, cuando se hacen pruebas con un fármaco, se le administra al grupo de tratamiento y al grupo testigo (o de referencia) se le dan tabletas de aspecto idéntico, pero de azúcar. Ningún paciente debe saber cuáles tabletas le administraron. Cuando se observan resultados significativamente distintos entre los grupos se podrá confiar en que la diferencia no se deberá a que sepan lo que tomaron. d) Sesgo del investigador. En un mundo tan competitivo y de alto riesgo como el de la investigación médica, resulta probable que los experimentadores deseen tanto ciertos resultados que sus tendencias, incluso de manera involuntaria, alteren la interpretación de los datos; una manera de evitarlo es con estudios doble ciego. En este procedimiento, tanto el sujeto al que se da el tratamiento como la persona que lo administra y recibe los resultados desconocen si el sujeto recibe la sustancia en investigación o placebo. Un investigador preparará tabletas con aspecto idéntico, pero unas con el fármaco y otras con placebo; luego las etiqueta con números de código y las distribuirá a los médicos participantes, quienes no sabrán si administran fármaco o placebo, de modo que no pueden dar a los sujetos, ni por accidente, la más mínima pista de cuál sustancia se les administra. Cuando se recaban los datos, el investigador puede correlacionarlos con la composición de las tabletas y determinar si el fármaco resultó más eficaz que el placebo. e) Pruebas estadísticas. El investigador enfrenta constantemente el problema de tener que tomar la decisión de aceptar o rechazar una hipótesis científica ¿cuán grande debe ser la diferencia de la de la respuesta observada entre los grupos de referencia y experimental para tener la confianza de que se debió al tratamiento y no sólo a una variación aleatoria? ¿Qué pasa si el grupo de tratamiento, en el ejemplo anterior, mostró una reducción de 12% en la colesterolemia y el grupo de placebo una de 10%? ¿Bastaría para concluir que el tratamiento resultó eficaz? En cienciasde la salud, constantemente debemos tomar este tipo de decisiones en todos los niveles (diagnóstico, tratamientos, pronósticos, gestión en salud, etc.) que no se pueden tomar a la ligera dada las consecuencias éticas y legales que implican en la profesión. Para ello, disponemos de una buena cantidad de pruebas estadísticas que pueden aplicarse a los datos para determinar su confiabilidad, como las pruebas z de Gauss, t de Student o Chi-cuadrado entre las más conocidas y sencillas. Dado que la ciencia no se basa en aseveraciones absolutamente verídicas, sino en afirmaciones probabilísticas, los resultados de las investigaciones siempre se expresan en términos de probabilidad mediante un indicador denominado P-value (valor de probabilidad). Datos, teorías y leyes El producto más importante de la investigación científica aplicada a la fisiología es la comprensión del funcionamiento del organismo, sus sistemas y aparatos. Este conocimiento se expresa por medio de datos, teorías o leyes. Es importante apreciar las diferencias entre éstos dado que un dato científico es información que cualquier persona capacitada puede verificar de manera independiente (p. ej., el hecho de que la deficiencia de hierro lleva a la anemia). Fernández, V. H. 21 Sin embargo, una teoría es una colección de principios10, conceptos11 o proposiciones12 sobre algo que nos interesa estudiar porque nos preocupa, que facilita su explicación causal, predicción o intervención. Las teorías se basan en mecanismos (proceso responsable del fenómeno natural estudiado) y patrones (fenómenos repetibles y predecibles). Algunas teorías tienen nombres, como la teoría celular, la teoría del mosaico líquido de las membranas celulares y la teoría del filamento deslizante de la contracción muscular. Sin embargo, muchas carecen de denominación (nombre). La finalidad de una teoría es resumir lo que ya se sabe y, además, sugerir direcciones para estudios adicionales y ayudar a pronosticar qué resultados deberán obtenerse si la teoría es correcta. Por otra parte, las personas que no han recibido instrucción en ciencias, tienden a hacer un mal uso de la palabra teoría para designar lo que un científico llamaría hipótesis (del griego, “hipo”, por debajo y “tesis”, conclusión que se mantiene con razonamiento) que es un enunciado (exposición breve de un problema) no verificado, una conjetura (juicio que se forma de las cosas o sucesos por indicios y observaciones) científica que requiere una contrastación con la experimentación científica, e implica al menos una relación entre dos variables. Un ejemplo de hipótesis científica sería: “la vacuna contra HPV en pacientes jóvenes, disminuye el riesgo de cáncer cervicouterino”. Cuando las teorías han sido ampliamente demostradas y son generalizables, entonces toma el rango de ley natural, las cuales permiten una generalización acerca de las maneras predecibles en que se comportan la materia y la energía. Es resultado de un razonamiento inductivo basado en observaciones repetidas y confirmadas. Algunas leyes se expresan como aseveraciones verbales concisas, como la ley del apareamiento de bases complementarias: “en la doble hélice de ADN, la adenina siempre se une con la tiamina y la guanina siempre lo hace con la citosina”. Otras leyes se expresan como fórmulas matemáticas, como la ley de Boyle, aplicada en la fisiología de la respiración: “bajo condiciones específicas, el volumen de un gas (V) es inversamente proporcional a su presión (P); es decir: V 1/P”. Es importante entender que para explicar un fenómeno fisiológico se utilizan modelos de la realidad, que no son la realidad misma debido a que es imposible conocerla en su totalidad. Estos modelos son descripciones formales (herramientas científicas) que relacionan elementos y que están basados en hipótesis ya que una ley natural es una descripción. Por tanto, las leyes no gobiernan el universo, simplemente lo describen. 10 Un principio (del latín, principium) hace referencia a un postulado esencial que permite el desarrollo de los estudios científicos o la práctica de un arte, y a las reglas más importantes que determinan el modo de pensar y de actuar. Por ejemplo, la ley de gravedad es uno de los principios de la física. En general, los principios son verdades lógicas, fundamentales y entendibles. En las ciencias biomédicas, al igual que otras ciencias biológicas, los científicos se apoyan en el principio de la causalidad natural, que dice “todos los hechos pueden rastrearse hasta causas naturales que nosotros potencialmente tenemos la capacidad de comprender”. 11 Los conceptos (del latín, conceptus) son construcciones mentales mediante los cuales comprendemos las experiencias acerca del mundo circundante y se valen del lenguaje para su formalización y comunicación. Los conceptos requieren de un marco referencial de una disciplina (científica, técnica) y forman parte de un sistema conceptual. Es importante señalar que viene del acto de pensar y razonar acerca de algo. 12 Una proposición (del latín, propositio) científica es un producto lógico del pensamiento humano que se expresa mediante un lenguaje formal (como la notación matemática) o un lenguaje técnico (por ejemplo, la hipoxia tisular es la causa del infarto del tejido en cuestión). Fernández, V. H. 22 La fisiología en las ciencias de la salud En ciencias de la salud, independiente de la rama de la medicina en la cual nos encontremos, tenemos el trabajo de interpretar el funcionamiento del organismo mediante el análisis de los datos que se obtiene a través del estudio del paciente, para poder decir si existe salud o enfermedad. La Organización Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como “el estado de bienestar físico, mental y social completo, y no tan sólo la ausencia de enfermedad”. Desde la fisiología, cabe considerar a la salud del ser humano como “aquella situación en la cual los procesos vitales, con sus miles de reacciones intracelulares y extracelulares que ocurren en el cuerpo, están procediendo adecuadamente con la supervivencia máxima del organismo en el estado de equilibrio”. Pero no se debe olvidar que el cuidado de la salud de los pacientes no sólo requiere un amplio conocimiento de los principios biológicos, sino también de principios psicológicos y sociales. En este sentido, el problema al cual nos enfrentamos siempre, es un problema de salud, ya sea para mantenerla (prevención) o, en caso de enfermedad, tratar de restaurarla (tratamiento). Por ejemplo, el médico puede trabajar en la prevención de enfermedades cardiovasculares al indicar a los pacientes que dejen de fumar por los efectos nocivos y nada beneficiosos del cigarrillo, junto con el nutricionista, que indica una alimentación equilibrada y adecuada al ciclo biológico en el cual se encuentre el individuo, mientras que el kinesiólogo indica qué actividad física y cómo lo debe hacer según sus condiciones, a la vez que el bioquímico evalúa las condiciones del medio interno del paciente a través de mediciones en el laboratorio clínico e interpretando los resultados según la situación del paciente. Cuando nos enfrentamos al paciente debemos observar y analizar de forma general y por sistemas en búsqueda de desviaciones de lo que se considera como “normal”. Cada alteración debe analizarse mediante las teorías fisiológicas que expliquen esa desviación, por lo cual se hace uso de un esquema de razonamiento que guiará todo el proceso para cualquier intervención médica. En este sentido, es importante considerar que entre la salud (estado fisiológico) y la enfermedad (estado patológico) existen mecanismos intermedios que lo explican (estado fisiopatológico) y que, en definitiva, todo tiene una explicación (aunque no lo sepamos todo) dado que prácticamente,
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