Investigación y Ciencia, 458 ?· ción de mitocondrias y cloroplastos. Las mitocondrias fueron en otro…

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  • 92 INVESTIGACIN Y CIENCIA, noviembre 2014

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    N os encontramos en medio de una revolucin cientfica construida sobre nuestro conocimiento del ADN, el material hereditario de la vida. Auxilia-dos por las herramientas de la biologa molecular, sondeamos el mundo entorno y nos aprovechamos del mismo de una manera impensable decenios atrs. Ne-cesitamos identificar una bacteria y se-guir su rastro en un brote hospitalario? En 24 horas podemos obtener el perfil gnico completo del germen desencade-nante. Nos interesa saber la constitucin de nuestros parientes neandertales? Los paleoantroplogos han abordado la cues-tin con muestras de ADN extradas de huesos fsiles. Introducimos ADN huma-no en Escherichia coli para que la entero-bacteria fabrique insulina.

    En torno a 1970, Paul Berg y Janet Mertz infectaron E. coli con un virus creado arti-ficialmente, a partir de virus de E. coli y del virus SV40, un virus de los simios. Se saba que, en la naturaleza, los virus mediaban la transferencia de genes entre bacterias. A Berg le interesaba resolver la cuestin de si un sistema de transferencia de genes mediada por virus se daba tambin en las clulas de mamfero. El virus creado de-ba explorar esa posibilidad. Tambin era importante averiguar si poda infectar a E. coli. Varios colegas plantearon su preocu-pacin por las consecuencias. E. coli es un componente natural de la flora bacteriana de nuestro intestino. Qu pasara si el vi-rus quimrico se escapaba del laboratorio y causaba una epidemia oncolgica? Berg crea que semejante posibilidad era muy remota. Con todo, los experimentos se suspendieron hasta disponer de pruebas contundentes.

    Berg y Metz no fueron los nicos en crear molculas quimricas de ADN. Stan-ley Cohen y Herbert Boyer haban estado

    experimentando con la insercin de ADN forneo en plsmidos (molculas de ADN circulares que se dan en clulas bacteria-nas) de E. coli. En 1973 anunciaron que un gen de ARN ribosmico extrado de rana se haba clonado e integrado en E. coli. Las posibilidades que ello presentaba para la investigacin bsica y aplicada resultaron inmensas.

    La ciencia del ADN ha renovado, entre otras, nuestra interpretacin de las rela-ciones entre organismos. Todos los seres vivos, de los microorganismos a los huma-nos, comparten un origen comn. Nos he-mos acercado a la historia inicial de la vida y hemos adquirido cierto conocimiento so-bre la aparicin de las clulas complejas, las eucariotas, hace dos mil millones de aos. La evolucin ha ido combinando y conjuntando los componentes moleculares de la vida. Cuando los bilogos molecula-res se adentraron en la selva microbiana descubrieron todo un mundo primigenio, las arqueas. Y descifraron claves, en el ADN de las clulas eucariotas, que apun-taban a una mezcolanza de bacterias de vida libre.

    La clula eucariota, compleja, evo-lucion a partir de clulas procariotas, ms simples. Una transicin que persiste envuelta en el misterio. La endosimbiosis, la forma ms acabada de la simbiosis, de-sempe un papel motor. En particular, a la endosimbiosis se debi la incorpora-cin de mitocondrias y cloroplastos. Las mitocondrias fueron en otro tiempo bac-terias de vida libre. Dgase lo propio de los cloroplastos de las clulas vegetales. Introducida as la fotosntesis oxignica en los eucariotas, lo que sigui fue una cadena de acontecimientos que conduje-ron a la transformacin de los ocanos, los continentes y la atmsfera. Nuestras clulas son quimeras, formadas a travs

    de la amalgama de dos tipos de clulas simples, una en el interior de otra. Las clulas complejas que componen anima-les y plantas son el resultado de fusiones simbiticas que se han ido presentando a lo largo de la historia de la vida.

    La simbiosis (la vida conjunta de for-mas de vida distinta) es un fenmeno co-mn en la naturaleza. Encierra la clave para comprender el salto en la compleji-dad celular que condujo al desarrollo de los eucariotas. Los cientficos estn descu-briendo ejemplos de fusiones simbiticas sucesivas, con organismos incluidos en otros organismos. La biologa molecular est demostrando que la historia de la vida es mucho ms compleja de lo que nos habamos imaginado.

    El concepto de simbiosis arranca del trabajo de Simon Schwender (1829-1919), Antn de Bary (1831-1888) y Albert Frank (1839-1900). Los dos primeros tomaron a los lquenes como organismo de inves-tigacin; a las micorrizas el tercero. Los lquenes suelen crecer sobre superficies estables que reciben un adarme de luz solar. Constan de un talo, red estratificada filamentosa fngica con clulas algales en su interior. Esta asociacin entre alga y hongo ha evolucionado a lo largo de qui-nientos millones de aos. La simbiosis de hongos y races de plantas forma micorri-zas. Hasta el 90 por ciento de las plantas superiores establecen simbiosis micorr-cicas. Se supone que las algas verdes no hubieran colonizado nunca tierra firme, sin la ayuda de los hongos.

    Debemos a Constantin Mereschkows-ky (1855-1921) el primer trabajo elaborado sobre endosimbiosis, en particular de los cloroplastos. Combinando conceptos de biologa vegetal y de biologa algal con ideas de simbiosis, desarroll la tesis de la simbiognesis, que defina el origen de organismos a travs de la conjuncin y unificacin de dos o ms individuos. En esa idea endosimbionte abund Andreas Schimper, quien plante la posibilidad de ese origen de los cloroplastos. En lo con-cerniente a las mitocondrias, Paul Portier no pens que procedieran de bacterias, sino que eran bacterias en el interior ce-lular. Public en 1918 Les symbiotes, cuya tesis, aberrante, muy pronto qued des-mentida: las clulas complejas depende-ran de simbiontes bacterianos.

    Hasta quince intentos, por lo menos, realiz Lynn Margulis antes de ver publi-cada su hiptesis en 1967 en el Journal of Theoretical Biology sobre el origen bacteriano de las mitocondrias. Mar-

    ONE PLUS ONE EQUALS ONE. SYMBIOSIS AND THE EVOLUTION OF COMPLEX LIFE

    Por John Archibald. Oxford University Press, Oxford, 2014.

    SimbiosisUna perspectiva revolucionaria de la vida y su historia

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    gulis propuso tambin que los flagelos eucariotas se adquirieran por simbiosis con bacterias espiroquetas. Ms tarde, defendera que los simbiontes formados a partir de organismos genticamente distintos explicaran el proceso de es-peciacin. En 1967 Jostein Goksoyr pu-blic en Nature una filogenia en la que los eucariotas derivaban de asociaciones simbiticas entre mltiples linajes proca-riotas. Philip John y Bob Whatley seala-ron, en 1975, que la bacteria aerbica del suelo Paracoccus denitrificans presenta-ba una serie de rasgos de su respiracin celular que remedaban la funcin de las mitocondrias, y realizaron ensayos con el fin de descubrir el curso evolutivo de la conversin de bacteria de vida libre en mitocondria.

    La alopoliploidizacin es la combi-nacin de genomas procedentes de dos especies diferentes. Ha constituido fuente principal de innovacin evolutiva y motor de especiacin y adaptacin ambiental. En el reino vegetal contribuy en medi-da importante a la domesticacin de las plantas. Se da por cierto que la alopoli-ploidizacin ocurri a travs de procesos de hibridacin entre especies, acompaa-dos o seguidos por duplicacin genmica. Aunque muchos alopoliploides surgieron de especies estrechamente emparentadas (congneres), existen otras especies alo-poliploides que emergieron a partir de especies progenitoras ms distantes, per-tenecientes a gneros e incluso a tribus diferentes.

    Abundan en la naturaleza las bacte-rias que experimentan tasas elevadas de mutaciones, lo mismo en las poblaciones naturales que en las multiplicadas en el laboratorio. Una de las causas inductoras de la presin de seleccin es la evolucin antagonista con los parsitos. En 2007 se demostr in vitro que la coevolucin an-tagonista con parsitos vricos promova la evolucin de la mutacin de la bacteria Pseudomonas fluorescens.

    La simbiosis mutualista puede apare-cer incluso sin que hubiera coevolucin previa. La mayora de las asociaciones mutualistas beneficiosas entre individuos de diferentes especies, denominadas sim-biosis mutualistas, han permitido grandes innovaciones ecolgicas y se encuentran en la base de las grandes transiciones registradas en el rbol de la vida. Por ejemplo, el antepasado de los vegetales domestic bacterias fotosintticas endo-simbiontes, los cloroplastos de hoy, para fijar el carbono. Esa asociacin incre-ment drsticamente el hbitat de esas bacterias fotosintticas: de ecosistemas acuticos a ecosistemas continentales. Sin embargo, la colonizacin de tierra firme por las plantas requera una ulte-rior asociacin simbitica, con simbion-tes fngicos que facilitan la adsorcin de nutrientes.

    Un ejemplo fascinante de endosim-biosis entre eucariotas y cianobacterias nos los ofrece la diatomea de agua dulce Rhopalodia gibba. En el interior de la dia-tomea habita una cianobacteria endosim-

    bionte que est estrechamente emparen-tada con el gnero Cyanothece. Las espe-cies de Cyanothece se caracterizan por su capacidad para fijar el nitrgeno atmosf-rico, es decir, para convertir el nitrgeno gaseoso en amonio y otros componentes relacionados. El endosimbionte constitu-ye lo que, en virtud de su morfologa, se denomina cuerpo esferoidal. La relacin simbitica estable que se entabla refleja la mutua interdependencia. El organismo hospedante era fotosinttico antes de que se produjera la simbiosis. Las diatomeas portan cloroplastos derivados de una ab-sorcin endosimbitica de una alga roja. Nada tiene, pues, de sorprendente que el cuerpo esferoidal no realice la fotosnte-sis; lo que s hace es fijar el nitrgeno, igual que las especies de Cyanothece de vida libre.

    Al propio tiempo, la biotecnologa avanz imparable. No han cesado las preocupaciones ticas, legales y ambien-tales. Pero ahora los componentes de la investigacin sobre el ADN recombinan-te son naturales. Se toman de la biosfera microbiana. La enzima de restriccin del ADN, EcoRI, procede de E. coli; opera como un agente natural de defensa celu-lar frente a material gentico extrao. Se han identificado y empleado cientos de protenas as. Enzimas que unen fragmen-tos de ADN. La polimerasa Taq se usa para amplificar ADN; procede de la bacteria Thermus aquaticus, descubierta en 1965 en los surtidores termales de Yellowstone.

    Luis Alonso

    UNITY AND CONTINUITY IN NIELS BOHRS PHILOSOPHY OF PHYSICS

    Por Roberto Angeloni. Leo S. Olschki, Florencia, 2013.

    BohrUnidad de la ciencia, unidad de la fsica

    E n 1933, John Archibald Wheeler adu-ca, en su solicitud de una bolsa de estudio ante el estadounidense Consejo Nacional de Investigacin para trasladarse Copenhague y trabajar con Niels Bohr, que

    su eleccin se basaba en que las ideas de Bohr van mucho ms all que las de cual-quier otro cientfico vivo. Algo parecido senta Werner Heisenberg cuando vea en el dans un filsofo ms all del fsico.

    Bohr y Wheeler publicaron su primer ensayo conjunto, a finales de los treinta, sobre fisin nuclear explicada en trmi-nos cunticos. El ncleo atmico, que constaba de protones y neutrones, ex-ponan, era como una gota lquida, que empieza vibrando y se elongaba en forma de cacahuete cuando un neutrn emitido por otro ncleo en desintegracin colisio-naba con l. Wheeler fue convocado para sumarse al proyecto Manhattan. Bohr de-ca estar ms interesado en la filosofa que en los filsofos, atrado por algunas cuestiones filosficas que emergen en la historia de la ciencia. Preocupado, sobre todo, por las condiciones de posibilidad del conocimiento emprico.

    Niels Bohr, nacido en 1885, entr en la Universidad de Copenhague en 1903. Por entonces, todos los alumnos tenan que asistir durante el primer ao a un

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    de una serie de lneas en el espectro de emisin del hidrgeno.

    La teora introducida por Bohr en 1913 para explicar las lneas espectrales del hidrgeno lleva su nombre. Daba por supuesto que un solo electrn de masa m viajaba en rbita circular de radio r, a una velocidad v, en torno a un ncleo dotado de carga positiva. El momento angular del electrn sera entonces mvr. Bohr propuso que los electrones pudieran ocupar solo rbitas en las que este mo-mento angular presentara ciertos valores fijos: h/2p, 2h/2p, 3h/2p... nh/2p, donde h es la constante de Planck. Ello significa que el momento angular se cuantiza, es decir, presenta solo determinados valo-res, cada uno de los cuales es mltiplo de h/2p. Cada valor de n va asociado con una rbita de diferente radio. Bohr supo-na que, cuando el tomo emita o absor-ba radiacin de frecuencia n, el electrn saltaba de una rbita a la siguiente; la energa emitida o absorbida en cada salto era igual a hn.

    Esa teora dio buenos resultados en la prediccin de las lneas observadas en el espectro del tomo de hidrgeno e iones simples (He+, Li2+, etctera). La idea de valores cuantizados de momento angular fue ms tarde explicada por la naturaleza ondulatoria del electrn. Cada rbita ha de tener un nmero entero de longitudes de onda en torno a la misma; esto es, nl = 2pr, donde l corresponde a la longitud de onda y n un nmero en-tero. La longitud de onda de una part-cula viene dada por h/mv, de suerte que nh/mv = 2pr, que conduce a mvr = nh/2p. La teora atmica moderna no permite que las partculas subatmicas sean tra-tadas de la misma forma que los objetos grandes, lo que ha dejado desacreditado hasta cierto punto el razonamiento de Bohr. Persiste, sin embargo, la idea de momento angular cuntico.

    El trabajo adquiri una doble im-portancia en la historia de la fsica del siglo xx. Por un lado, representaba el primer esbozo de una teora coheren-te sobre la constitucin del tomo; por otro, se converta en un avance decisivo de la concepcin cuntica al establecer su alto nivel de generalidad. Hasta 1910, la mayora de los fsicos (con la excepcin de Einstein, Von Laue y Ehrenfest) esta-ban convencidos de que la constante de Planck h era caracterstica solo de la ra-diacin del calor. Por ese hito Bohr recibi en 1922 el premio Nobel. Bohr explicaba tambin la tabla peridica en trminos de

    curso propedutico de filosofa. Bohr realiz ese curso en 1903 con el profesor Harald Hffding. Estudi fsica con Chris-tian Christiansen. Desde 1905 comenz a frecuentar un grupo de alumnos donde debatan sobre los asuntos ms dispares. Se licenci en 1909 y dos aos ms tarde obtuvo el doctorado. Pas un ao en In-glaterra de posdoctorado en Cambridge y Manchester.

    A travs de Hffding lleg Bohr a la filosofa existencialista de Sren Kierke- gaard. Hffding fue un filsofo de la conti- nuidad en un tiempo en que la disconti-nuidad se haba convertido en una rea-lidad cuando Max Planck descubri el cuanto de accin en 1900. A diferencia de Kierkegaard, Hffding s crea que se daban saltos en la naturaleza inanimada. Investigaciones ulteriores sobre radiac- tividad demostraron que las leyes causa- les deberan ser sustituidas por des-cripciones estadsticas. De hecho, Bohr renunci a las explicaciones causales y defendi cambios espontneos antes de familiarizarse con el existencialismo de Kierkegaard. Exista una corriente de simpata entre Hffding y Bohr. Desperta- ron el inters de este las clases que aquel imparti sobre una filosofa de la cien- cia natural que se espejaba en el trabajo de los fsicos, de Coprnico a Newton, de Maxwell a Mach.

    Se ha dado por supuesto que el fil-sofo William James influy en Bohr. Est ms all de toda duda que hay llamativas analogas entre James y Bohr. De acuerdo con James, solo puede haber pensamiento en asociacin con un poseedor especfico de ese pensamiento. En consecuencia, pensamiento y pensador, sujeto y objeto se encuentran entrelazados y resulta im-posible concebir la objetivacin del pen-samiento; Bohr subrayaba la necesidad de prestar atencin a las circunstancias en que se obtenan las pruebas, en cual-quier campo.

    La relacin de Bohr con el positivismo lgico respaldaba la idea de su inters general por la filosofa. Una atraccin que plasm en el concepto de unidad del co-nocimiento. Bohr tom parte en el Segun-do Congreso Internacional sobre Unidad de la Ciencia celebrado en Copenhague en 1936, dirigido por los neopositivistas Otto Neurath y Jorgen Jorgensen. Se le invit a escribir un artculo sobre anlisis y sntesis en ciencia de la International Encyclopedia of Unified Science, coordi-nada por Neurath, Jorgensen y Carnap. En el segundo volumen, Bohr reconoca

    que, pese a la exigencia prctica de con-centrar los cientficos sus esfuerzos en un dominio concreto del saber, su labor, en cuanto potenciadora del conocimiento, es la unidad. La historia de la ciencia nos revela que el avance de un campo ha conducido a la unificacin de aspec-tos que antes se presentaban separados e inconexos. No solo hay unidad de la ciencia que interpreta el mundo exterior sino tambin inseparabilidad del anlisis epistemolgico y psicolgico. A diferen-cia de los neopositivistas, l no busca la unidad en la reduccin de todo a la fsi-ca, sino en la armona del todo. Es una postura holista.

    As, a lo largo de su carrera Bohr se propuso reconciliar la teora clsica y la teora cuntica en un todo racional y co-herente, salvar el hiato entre la descrip-cin clsica y la descripcin cuntica. Una continuidad que se aprecia en la des-cripcin clsica, donde las coordenadas de espacio, tiempo, energa y momento pueden, en principio, reputarse indivisi-bles. En la fsica clsica, la causalidad se da por cierta, en tanto que en la fsica cuntica comienzan a aceptarse como intrnsecas a la misma las nociones de indeterminacin, descripcin estadstica y distribucin probabilista. Si en la fsi-ca clsica existe una separacin tajante entre objeto y sujeto, en la cuntica tal separacin solo puede producirse de una manera arbitraria. La mecnica clsica, newtoniana, presentaba una descripcin objetiva de la realidad. Con la introduc-cin del cuanto de accin de Planck en los procesos atmicos, se puso en cuestin la concepcin determinista de la naturaleza. Las teoras de la fsica clsica resultaban idealizaciones vlidas solo en la descrip-cin de fenmenos suficientemente gran-des, donde poda ignorarse el cuanto de accin.

    El primer modelo atmico de Bohr se present en 1913 en un extenso artculo publicado en tres partes en el volumen 26 del Philosophical Magazine. El trabajo se titulaba On the constitution of atoms and molecules. Aportaba la base terica para el modelo atmico construido por Rutherford en 1911. Se serva de los con-ceptos cunticos para resolver la consti-tucin del tomo: los electrones orbitan alrededor de un ncleo central y alcanzan su estabilidad, al admitir que su momen-to angular se cuantiza. El trnsito de los electrones de una rbita a otra viene acompaado de la absorcin o emisin de energa en forma de luz, dando as cuenta

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    capas de electrones y desarroll el modelo de gota lquida del ncleo.

    Bohr asign al principio de correspon-dencia un puesto central en su teora. Fue, sobre todo, un instrumento tcnico. Derivaba de su profundo convencimien-to de la correspondencia entre la fsica cuntica y la fsica clsica. El primer trabajo donde emple el concepto de correspondencia fue en On the quan-tum theory of line-spectra. Part I, pu-blicado en 1918. Volvi sobre el asunto en 1920, para culminarlo en 1921. La teo-ra de los osciladores virtuales, de 1924, constituye un ejemplo de dicho principio. Hasta 1925 no se mostr preocupado ni por la dualidad partcula-onda ni por la dualidad continuidad-discontinuidad. Andaba enfrascado en la incoherencia aparente entre la teora cuntica, que implica una emisin o absorcin dis-continuas de radiacin, y la teora elec-tromagntica, que implica una emisin y absorcin continuas.

    Bohr se haba empeado en elaborar un programa propio de investigacin so-bre la expansin del conocimiento de los fenmenos atmicos y, al propio tiempo, de revisin de los fundamentos de la f-sica. Ese programa perdur hasta 1927, cuando Bohr aport su interpretacin

    fsica de la mecnica cuntica basada en el principio de complementariedad. En 1927, propone la complementariedad de las representaciones de los sucesos porque en el lenguaje ordinario podemos explicar la totalidad de la naturaleza a travs de un modo de descripcin com-plementario. Para l, la teora cuntica es una generalizacin racional de la me-cnica clsica. En sus palabras, sacadas de Atomic theory and the description of nature (1929): El esfuerzo empeado en formular leyes generales para estas posibilidades y probabilidades mediante la aplicacin debidamente limitada de los conceptos de las teoras clsicas ha conducido recientemente, tras una serie de fases en su desarrollo, a la creacin de una mecnica cuntica racional por medio de la cual somos capaces de des-cribir experiencias muy dispares y que puede considerarse en todos sus aspectos una generalizacin de las teoras fsicas clsicas.

    Esa tesis resulta necesaria para com-prender la postura de Bohr en fsica cuntica: su visin sobre la complemen-tariedad, el principio de correspondencia y la indispensabilidad de los conceptos clsicos. Aunque Bohr consideraba que el cuanto de accin de Planck desembocaba

    en una exigencia de revisin de la fsica, fue ms un terico de la continuidad que un revolucionario. Un terico de la con-tinuidad en el sentido de que l intent mantener y subrayar los rasgos de la teo-ra predecesora que se conservaban en la transicin a la teora sucesora.

    El nombre de Bohr va indisociable-mente unido a la interpretacin de Co-penhague. Por tal se entiende la interpre-tacin cannica de la mecnica cuntica en la que un sistema (por ejemplo, una partcula) puede describirse mediante una funcin de onda. Esta es una fun-cin compleja; su significado fsico es que el cuadrado del mdulo de la funcin de onda es proporcional a la probabilidad de un estado definido particular. En la interpretacin de Copenhague, una par-tcula no tiene una posicin definida o espn hasta que es observada, es decir, hasta que se realiza una medicin. La idea es que la medicin colapsa la funcin de onda, conduciendo a una medicin definitiva del estado. Sin embargo, cual-quier prediccin del estado de un sistema puede ser solo probabilista. La interpre-tacin de Copenhague es la ms aceptada por los fsicos, pero no se halla exenta de paradojas.

    Luis Alonso

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