LA BIOFÍSICA DESDE LA PERSPECTIVA DE LA FLEXIBILIDAD
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I SIMPOSIO INTERNACIONAL DE AGROECOLOGÍA “Hacia un desarrollo rural sustentable endógeno” Florencia, Caquetá Mayo 12,13 y 14 de 2010 LA AGROECOLOGÍA DESDE LA FLEXIBILIDAD: UNA EXPLICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA VIDA Profesor JESÚS HEMBERG DUARTE VARGAS Médico Veterinario Zootecnista Magíster en Producción en Animal Tecnólogo Electromecánico Grupo de Investigación: Modelos Experimentales para las Ciencias Zoohumanas Universidad del Tolima AGRADECIMIENTOS La naturaleza es sabia y hermosa su estudio provee los conocimientos para permitirle a uno de sus componentes el Homo sapiens satisfacer sus necesidades y estar en equilibrio dinámico con ella. Jesús Hemberg Agroecología La Agroecología es una ciencia que delinea los principios ecológicos básicos para estudiar, diseñar, manejar y evaluar agroecosistemas desde un punto de vista integral, incorporando dimensiones culturales, socioeconómicas, biofísicas y técnicas. La agroecología a menudo incorpora ideas sobre un enfoque de la agricultura más ligado al medio ambiente y más sensible socialmente, se centra no sólo en la producción sino también en la sostenibilidad ecológica del sistema de producción, en las relaciones ecológicas presentes en el campo y su propósito es iluminar la forma, la dinámica y las funciones de esta relación. En agroecología el principio más importante utilizado para asegurar la autorregulación y sostenibilidad es la biodiversificación. La agroecología moderna es una concepción holística y sistémica de las relaciones entre las sociedades humanas y las sociedades vegetales y animales de cada ecosistema, orientada a la producción agraria en armonía con las leyes naturales. Relación: átomo; célula, bacteria, suelo, planta, animal, hombre y ecosistema El Universo está integrado Por una infinidad de subsistemas. Todos ellos tienen cualidades en común con el Universo como totalidad. Absolutamente todos tienen características que los singularizan: Una piedra; una gota y un Hombre. Lo singular y lo particular tienen un origen común: El Universo como totalidad única. El Universo es un gran organismo, un gran sistema integrado. Uno de los subsistemas integrados al Universo es la vida. Los seres vivos son también, como todos los fenómenos, un sistema en equilibrio fluctuante. Se mueven con los cambios del planeta, del Sistema Solar y de otras influencias de manera similar como lo hace ante los cambios de la biosfera, del entorno, del clima, y de su alimentación. Responden también a las agresiones, a los fluctuaciones del régimen de descanso actividad, en fin, a todo lo que se mueve en su exterior como en el interior de su organismo. ANTECEDENTES Puerta metálica en casa. Subirse al taxi. ¿Por qué las algas en el mar al estar sujetas a las fuerzas de las olas por efecto del cambio de las mareas o el movimiento de las olas no se parten? Experiencias con plantas (0ficina). Experiencias con cabras recién nacidas produciendo leche. ¿Por qué las mujeres pueden entrar a la menopausia a los 35 o a los 65 años? Diagrama esfuerzo-deformación unitaria Diagrama esfuerzo-deformación unitaria Cuando una fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del material que provoca la deformación del mismo. En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. No obstante, si la fuerza externa supera un determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de Hooke ya no es válida. El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad. La normalidad y la variabilidad biológica Dentro de los datos que un análisis de sangre puede aportar al médico figura la concentración de la glucosa en sangre (glucemia, variable numérica continúa). Ante la pregunta ¿Cuál es el valor de glucemia normal? De acuerdo con lo establecido por diferentes autores: entre 70 a 110 mg de glucosa cada 100 ml de sangre. En principio es claro que no existe un único valor sino un intervalo de valores que pueden ser considerados normales. Sin embargo, ¿qué ocurre con una persona cuya glucemia es de 112 mg/100 ml? ¿Está enferma? ¿Y si el valor es de 69 mg/100 ml? ¿Dónde se encuentra la frontera entre lo “normal” y lo “patológico”? La experiencia muestra que si se determina la glucemia en un grupo de, 100 personas clínicamente sanas, se observa toda una serie de valores diferentes, aunque los mismos se agrupen alrededor de ciertos datos que se repiten con más frecuencia. Es decir que si se mide la misma variable (glucemia en este caso) a dos individuos sanos de características semejantes que forman parte del grupo que se esta analizando, es esperable encontrar valores no idénticos, sencillamente porque esos dos individuos no son idénticos. A este concepto de variabilidad se asocia, inmediatamente el de normalidad. Si un dato biológico puede variar de ser vivo a ser vivo dentro de la misma especie, ¿Cómo se pueden definir los valores normales? Probablemente se puede decir “normal es lo más frecuente”. La distribución normal Se determinó la glucemia en 384 personas clínicamente sanas, procedentes de Buenos Aires, obteniéndose una serie de valores individuales que se han agrupado en la Tabla 1.2. i) Los valores se distribuyen en forma simétrica alrededor de un valor central que se da como máxima frecuencia. ii) Este valor central coincide con el promedio o media de los valores observados. iii) Las pequeñas diferencias con respecto al valor central son más frecuentes que las grandes diferencias. La distribución de frecuencias descritas por la curva de Gauss es la observada para una gran cantidad de parámetros biológicos, que presentan la variabilidad. Dicha curva es también conocida como distribución normal Al volver al ejemplo de la glucemia. A partir de los datos individuales (y no de los intervalos) se han calculado los parámetros de media y DE, y los valores obtenidos fueron de: = 89,6 mg/ 100 ml; DE = 10,2 mg/100 ml A partir de estos datos se puede construir los intervalos que se definieron: (± DE) = (89,6 ± 10,2) mg/100ml = (79,4 a 99,8) mg/100 ml contiene el 68% de los valores individuales. (± 2DE) = (89,6 ± 20,4) mg/100 ml = (69,2 a 110) mg/100 ml contiene el 95% de los valores individuales. (± 3DE) = (89,6 ± 30,6) mg/100 ml = (59 a 120,2) mg/100ml contiene el 99% de los valores individuales. Correspondientes a los 384 personas clínicamente sanas. La estadística estudia las variables Las variables biológicas existen gracias a la existencia de la flexibilidad biológica, entonces la estadística existe porque ella estudia en forma fundamental la flexibilidad de la existencia. La distribución normal o curva de Gauss existe porque no es más que la gráfica de la flexibilidad. Ejemplos Teóricos y de aplicación del concepto Todas estas inquietudes aunadas al incremento del conocimiento y al encontrar que el fenómeno no solo se encuentra en la estructura sino en la función de los seres vivos desde el nivel del átomo hasta del ecosistema ha llevado al autor a revisar algunos ejemplos teóricos y de aplicación de la Flexibilidad. Flexibilidad en el Átomo A nivel atómico (Mercado y Cota, 2005) mencionan que un estado excitado es aquel en el que los electrones se encuentran en niveles de energía más alto que su estado fundamental, es decir, con un pequeño exceso de energía. Todos los átomos que se encuentran excitados tendrán la tendencia a regresar a su estado estable. Para ello ocurre un proceso cuántico mediante el cual se libera ese exceso de energía en forma de un cuánto de radiación y los electrones pueden regresar a su estado fundamental Flexibilidad en el Átomo , Si un átomo que se encuentra en su estado fundamental, es decir, en su nivel energético más bajo, al cual se le incide un fóton con una cierta cantidad de energía, dicho fotón le cede esa energía de manera que el átomo asume una nueva configuración. Con ese exceso de energía, el átomo pasa a un estado excitado de energía más elevado. Si ese átomo se encuentra además en un medio denso, este puede interactuar con sus vecinos fluctuantes y les transmite su carga de energía mediante una colisión (absorción estimulada y de allí va emisión espontánea) Según las características físicas de cada material Habrá pequeñas variaciones en la emisión de energía. Cada variación es característica de cada material. Flexibilidad en la Bacteria La bacteria mantiene todo el tiempo una representación interna de su entorno de tipo químico. A través de los componentes moleculares de su membrana, tales como receptores, canales iónicos, sistemas de transporte. La bacteria lleva un registro químico continuo del medio en que se encuentra. Si el medio cambia, la bacteria registra el cambio y, según lo registrado, ajusta su propia estructura organizativa, produciendo las respuestas adecuadas. La síntesis de quimioterápeuticos artificiales han supuesto una auténtica revolución médica en el tratamiento de enfermedades infecciosas. Sin embargo la extrema versatilidad y adaptabilidad de los M.O. ha impedido que la victoria humana sobre las bacterias patógenas haya sido total: muchas bacterias han ido desarrollando en los últimos decenios mecanismos que las protegen frente a muchos fármacos. Flexibilidad en la Bacteria Desde la introducción de la antibioterapia en todo el mundo, se esta realizando un gigantesco “experimento” de intervención genética en los seres vivos más abundantes del planeta: las bacterias. La aplicación a gran escala de los quimioterápeuticos ha permitido la diseminación de cepas microbianas con mecanismos de resistencia que, en muchas ocasiones dificultan el adecuado tratamiento clínico. Texeira de Matos, 1997 indica que una propiedad de las células procariotas es la enorme flexibilidad metabólica en relación con los substratos obtenidos del anabolismo y el catabolismo y también debido a los continuos cambios frente a la disponibilidad de los nutrientes. Esas respuesta fenotípicas para las condiciones de crecimiento con bajos niveles de nutrientes involucran cambios en la membrana celular, cambios en la capacidad específica del sistema enzimático involucrado en la producción y/o asimilación de los nutrientes limitantes y cambios en la afinidad de esas enzimas. Apoptosis o muerte celular Apoptósis es uno de los principales tipos de muerte celular programada (PCD). Sección del hígado de un ratón mostrando una célula apoptósica indicada con una flecha. La apoptósis es un conjunto de reacciones bioquímicas que ocurre en las células de un organismo pluricelular, encaminadas a producir muerte de la célula de manera controlada, a diferencia de la necrosis. La apoptósis puede tener dos motivos fundamentales, como parte del desarrollo de estructuras corporales o bien para eliminar células que supongan una amenaza para la integridad del organismo. Se caracteriza por hipereosinofilia y retracción citoplasmática con fragmentación nuclear (cariorrexis), desencadenada por señales celulares controladas genéticamente. Estas señales pueden originarse en la célula misma o de la interacción con otras células. Apoptosis o muerte celular La apoptosis es un fenómeno permanente, dinámico e interactivo. biológico fundamental, Existen mecanismos pro o antiapoptósicos, regulados genéticamente, que actúan en forma activa (+E) y equilibrada. La apoptósis puede estar frenada, en equilibrio o estimulada. Esta en equilibrio respecto de la mitosis en los tejidos adultos sanos. Esta estimulada cuando existen células envejecidas, mutadas, neoplásicas o no neoplásicas, alteradas por tóxicos, y las que están en proceso de metamorfosis o atresia. Barbosa, 2008 indica que la remoción de las células superfluas, defectuosas, lesionadas o peligrosas es crítica para el normal desarrollo y homeostasia tisular en organismos multicelulares. Esta vía genética de eliminación celular puede responder a estímulos normales y patológicos Células Madres Las células madre adultas son intrínsecas a varios tejidos. Son capaces de mantener, generar y reemplazar las células diferenciadas en su propio tejido como consecuencia de la renovación fisiológica del tejido dañado como consecuencia de una agresión. Los datos de diferentes trabajos sugieren que las células madre adultas generan células diferenciadas más allá de los límites del propio tejido en el que se encuentran, en un proceso conocido como plasticidad del desarrollo. Las células madres se definen como células con capacidad clonogénica y de propia renovación y que se pueden diferenciar en múltiples líneas celulares. Sin embargo, las embrionarias se derivan de los embriones de los mamíferos en la fase de blastocisto y tienen la capacidad de generar cualquier célula diferenciada terminada. La neuroplasticidad Según (álvarez – Buylla, 1995) durante muchos años se consideró al SNC como una estructura funcionalmente inmutable y anatómicamente estática. El sistema, una vez concluido su desarrollo embrionario, era una entidad terminada y definitiva, mutable sólo por lesión o degeneración e irreparable por su propia naturaleza. Según (Belgrado – Rosado, 2000) en los últimos 40 años, el dictamen ha cambiado radicalmente. El rígido esquema de circuitos invariables, tanto en el número de sus unidades, como en las conexiones entre ellas, ha sido sustituido progresivamente por un sistema en que la modificación dinámica de sus propiedades, en respuesta a cambios en sus propiedades y sus ingresos, constituyen la noción fundamental para comprender sus extraordinarias propiedades. Esta nueva visión se sustenta en el concepto de neuroplasticidad y hoy es un elemento unificador esencial para comprender procesos tan aparentemente diferentes como el aprendizaje y la recuperación de funciones tras una lesión. La neuroplasticidad es la habilidad del cerebro con respecto a expresar reparaciones y cambios en diferentes vías, desde modificaciones funcionales de estructuras existentes a la formación, crecimiento y proliferación de nuevas estructuras o neuronas. Los mecanismos son a nivel celular y molecular y se clasifican en dos grupos: Plasticidad debida la crecimiento, por regeneración axonal, colaterización y sinaptogénesis. Y la plasticidad funcional, la cual incluye cambios en la eficiencia de la transmisión sináptica y la activación de sinapsis silenciosas. El SNC es un producto nunca terminado, es el resultado, siempre cambiante y cambiable, de la interacción de factores genéticos y epigenéticos (Belgrado – Rosado, 2000). Del fatalismo del “nada puede hacerse” se transita hoy aceleradamente hacia la búsqueda y ensayo constante de nuevas formas de estimular los cambios plásticos que permitan la restauración de funciones alteradas por traumas, accidentes o enfermedades degenerativas, no sólo por sustitución, sino buscando también la recuperación de las áreas dañadas. La homeostasis La homeostasis es considerada como la propiedad de un sistema abierto para regular su medio interno para mantener unas condiciones “estables”, mediante múltiples ajustes de equilibrio dinámico controlados por mecanismos de regulación interrelacionados. En los animales complejos opera tanto en las células aisladas como en las integradas – fluidos corporales, tejidos y órganos. Ejemplos: Presión arterial, frecuencia cardiaca, frecuencia respiratoria, ajuste de la visión, ajuste del sonido. La flexibilidad permite comprender los fenómenos de coagulación sanguínea, la inflamación, la consolidación de las fracturas, la tos, la diarrea, el ajuste a las constantes fisiológicas como mecanismos de defensa para mantener la estabilidad para el mantenimiento de la vida. El equilibrio estacionario Frumento menciona que los seres vivos desarrollan actividades muy diversas, y en ellos se producen transformaciones en forma permanente. Por lo cual según este autor los seres vivos no constituyen sistemas en equilibrio dinámico. Sin embargo a pesar de no hallarse en equilibrio, los seres vivos presentan una relativa constancia de sus propiedades, aún dentro de las variaciones a las cuales son sometidos. Un sistema que no se haya en equilibrio dinámico y mantiene sus propiedades constantes se haya en equilibrio estacionario. La Flexibilidad permite una explicación razonada a respuestas biológicas como: Los seres vivos son flexibles tanto en la forma como en la función El sistema óseo, que es el más fuerte , sin embargo la presencia de colágeno, le permite el pandeo de los huesos estructurales. El colágeno constituye aproximadamente una tercera parte de la masa de los huesos el resto está formado por las llamadas sales del hueso, es decir, una mezcla de sustancias inorgánicas que contienen calcio, fósforo, oxígeno e hidrógeno. Los huesos no sólo han de soportar cargas, sino también flexiones y torsiones. De hecho, las fracturas son producidas casi siempre por momentos de flexión y torsión excesivos. La capacidad de un hueso para resistir flexiones y torsiones depende de su rigidez, la cual varía con el área real de su sección transversal y no sólo con el área de dicha sección. Otros ejemplos Acomodación del ojo. Acomodación de la audición. Los sentidos del gusto. Otros ejemplos •Los cambios hemodinámicos. •La contractibilidad de venas y arterias. •Diferentes vías metabólicas (almacenamiento de energía) Glucosa Glucogeno Grasa La flexibilidad permite comprender Hipertrofia Atrofia Adaptación en animales Adaptación en plantas Preñez y Embarazo Dilatación al parto La resiliencia en el suelo Cuando en un sistema, alguno de sus Componentes es sometido a una modificación, su estado de equilibrio se ve alterado. Ante ello, todo el sistema trata de volver a un nuevo estado de equilibrio, para lo cual inicia una readecuación permanente, pasando sucesivos estados parciales de equilibrio en el tiempo tendiente al equilibrio. La capacidad del sistema de retornar al estado de equilibrio se denomina resiliencia. La resiliencia esta determinada por la persistencia de las relaciones dentro del sistema y es una medida de la habilidad de esos sistemas para absorber los cambios y persistir. Flexibilidad en las plantas Reyes y Martínez, 2001 indican que las plantas como organismos inmóviles no pueden eludir las condiciones ambientales desfavorables, por lo cual tienen mecanismos que les permiten tolerar y superar las condiciones ambientales adversas (falta de agua, altas y bajas temperaturas, escasez de nutrimentos, depredación, entre otras). Entre los mecanismos se encuentra la plasticidad, la cual es una medida de la cantidad o proporción en que las expresiones de las características manifiestas cambian a simple vista por los organismos debido al efecto de la variación ambiental. Las plantas poseen la capacidad de adaptarse a diferentes condiciones ambientales, ajustando su morfología y fisiología a través de la variación genética y la plasticidad en su forma. La variación de forma de las plantas puede estar o no relacionada con la variación genotípica y podría afectar caracteres morfológicos, anatómicos, cariológicos y bioquímicos. Los cambios en caracteres morfológicos, fisiológicos y reproductivos han sido reportados para muchas especies de plantas. Barón, 2007 indica que las plantas, cuando están en presencia de un factor de estrés, activan señales de alarma para preparar toda su batería de mecanismos de defensa. Sí sufren por temperaturas extremas, sintetizarán proteínas de defensa frente al calor o frío; Sí crecen a grandes alturas y están expuestas a fuerte radiación ultravioleta, producirán filtros contra esta radiación y, si las invade un patógeno, aunque carezcan de sistema inmune, producirán una gran variedad de sustancias entre ellas, ácido salicílico que trataran de impedir que la infección se extienda. Cuanto más amplio sea el rango de adaptación a distintos factores ambientales, mayor será su flexibilidad metabólica y más eficaz la respuesta defensiva. Flexibilidad en el ecosistema A nivel de ecosistemas la estabilidad se logra cuando se alcanza el equilibrio y esto ocurre cuando se equilibran las fuerzas que actúan sobre él. Por tanto en cualquier ecosistema (manglar, bosque, arrecife, etc.) existen fuerzas contrarias. Los mecanismos de autorregulación de un ecosistema son comparados con los controles cibernéticos de un sistema computarizado. Los ecosistemas tienen en sí un equilibrio dinámico; las fluctuaciones naturales se deben a variaciones climáticas, migraciones, sequías, inundaciones, incendios, etc. En un determinado pastizal se presenta escasa precipitación pluvial, lo que causa que una sequía en la región limite la población de herbívoros, quienes tienen una alimentación deficiente en esas condiciones. La población de carnívoros o consumidores secundarios se beneficia, ya que los herbívoros se encuentran en condiciones de debilidad y con mayor facilidad son víctimas de depredadores. Cuando las lluvias se normalizan la población de herbívoros es muy baja, lo que genera que la hierva vuelva a crecer; los carnívoros resultan afectados ya que el suministro es muy reducido. Al tercer año la población de carnívoros está diezmada, por lo que los herbívoros pueden restablecerse y el equilibrio llegará nuevamente al nivel del periodo cero o inicial; estas variaciones son las que permiten señalar que en los ecosistemas existe un equilibrio dinámico (Vásquez, 1993). La madurez y desarrollo de las comunidades fue caracterizado por Eugene Odum como una estrategia de aumento de control del ambiente físico que provee máxima protección de perturbaciones ambientales. La estabilidad y la búsqueda de la estabilidad en el ecosistema se deben gracias a la flexibilidad del mismo frente a la gran cantidad de variables y fuerzas con las cuales interactúa en el tiempo y el espacio. Concepto de Flexibilidad Al estudiar la forma y función en los organismos vivos, el autor propone el concepto de la Flexibilidad como: La capacidad de los seres vivos de soportar cambios dentro de ciertos limites biofísicos sin alterar su naturaleza definida como especie, estos ajustes le permiten la interacción del medio interno con el circundante, y posibilita la autorregulación y ajustes a las condiciones del medio externo. Propuesta de notación matemática del fenómeno fundamental _ Conclusiones Desde el nivel atómico, de las bacterias, en el control celular, en el sistema nervioso, en el suelo, en las plantas, en los animales, en el hombre y en el ecosistema existe la Flexibilidad; una concepción de porque la vida en el planeta tiende a conservar su naturaleza fundamental de especie y permitir su alta biodiversidad fenotípica que conlleva a la búsqueda de su equilibrio. Conclusiones La flexibilidad biológica podría explicarse como un fenómeno biofísico que permite la sobrevivencia y la adaptabilidad de los seres vivos, podría explicar la aparición de ecotipos y variedades como una expresión fenotípica del genoma frente a las condiciones ambientales. Podría ayudar a explicar porque un fármaco puede tener un efecto de resolución de un problema en un organismo y porque el mismo fármaco en otro ser no tiene la capacidad de modificar el problema o lo hace de una manera intermedia, de igual manera los efectos diversos de la fertilización en las plantas. Conclusiones La flexibilidad biológica puede ayudar a entender porque en un mismo organismo se puede pasar de la “normalidad” a la atrofia, o a la hipertrofia no solo muscular sino también de otros órganos o sistemas. La flexibilidad puede explicar los procesos de erección en los machos mamíferos y después de la misma volver a su condición natural, por qué un útero grávido puede llevar a incrementar tanto su tamaño y tener un proceso de reajuste o reacomodación después. Conclusiones A nivel atómico la flexibilidad puede dar razón de por qué existe la estabilidad de la materia y la energía. La flexibilidad es compatible con la primera ley de la termodinámica y la tercera ley de Newton y requiere ser validada a nivel de las otras leyes científicas enunciadas por la ciencia. Conclusiones Es necesario revisar y desarrollar este concepto a la luz de las diferentes relaciones en el planeta y en el resto del universo porque la comprensión de la misma puede develar grandes aportes a la vida y a la comprensión de lo existente. Como hombre de ciencia quiero expresar mi admiración por la Creación y mi agradecimiento al Creador, por la Flexibilidad, como un sello en la naturaleza que ayuda a comprender la vida en sus múltiples manifestaciones. La flexibilidad es un medio fundamental para mantener la vida en el planeta y por qué no al universo... el estudio del mismo lo dirá!!. “Amado Dios cuando me detengo a estudiar la naturaleza encuentro en ella impreso en ella, el sello de tu maravillosa creación” Jesús Hemberg Duarte Vargas - EvC JHDV Mt c EvC( pAASSa )iD S 136 2 ( pAASSa ) jD j Mt “Un mensaje de Amor al mundo de la Ciencia”.
