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Carlos von der Becke - Biología 82

MODULO IV UNIDAD 4 CAPITULO 4

CONCLUSIONES RAZONADAS

PRIMERA PARTE

CAMBIOS EN LAS ESPECIES VIVIENTES

Para el presidente del gremio ha llegado la hora de resumir. Estas son sus explicaciones.

Don José Ortega y Gasset señalaba: "yo soy yo y mis circunstancias".

  • La afirmación de Ortega se presta para hacer un resumen de parte de lo aprendido. En lenguaje simbólico, el "soy" es el signo Ü que significa: "la expresión larga de la derecha se resume en una sola palabra a la izquierda".

  • Yo1 ü Yo2 + Circunstancias.
  • En una reinterpretación biológica, el primer "yo" es el que se explicita y se muestra (el fenotipo, el resultante de la mecánica de los RNA y sus sistemas auxiliares; y el cerebro maduro con sus enlaces neuronales establecidos).

  • El segundo "yo", es el genotipo, el resultante de la mecánica del DNA y sus sistemas auxiliares; y el cerebro
    • con todos sus enlaces maduros reales
    • y con todos sus posibles enlaces virtuales siempre abiertos a volverse realidad y aún no establecidos,
    con todas sus potencialidades, por lo menos para mi mismo, mi yo ideal.

  • Mis RNAs üMi DNA + Mecanismos internos resultantes de señales ambientales.
  • Entonces:

  • Mi fenotipo ü Mi genotipo + El clima y el ambiente.
  • El genotipo se estudia en genética; el ambiente en su relación con la vida se estudia en ecología. El segundo sumando se puede escribir considerando que no todo el ambiente consigue cambiarme ni puedo ambientarme a todo:

  • Mi fenotipo ü Mi genotipo + Mis aclimataciones.
  • El fenotipo resultante lo explica la biología.

    El proceso dinámico corresponde estudiarlo en una población.

    ¿Qué pasa con una población surgida de N-1 generaciones, al llegar a la generación N? En promedio, para toda la población,

  • FenotipoN <-- GenotipoN-1 + AclimatacionesN.
  • Dicho aún de otra manera, hay un ballet entre mi vida y el ambiente. Los dos forman la entera realidad. Como con mi vida modifico mi ambiente y como el ambiente modifica mi vida, las causas y los efectos se diluyen en una realidad más interesante, casi sin causas ni efectos, casi con puras interacciones circulares, el ambiente encarnado y la vida ambientada.

    Un matemático modelizaría esto como un sistema dinámico de dos ecuaciones diferenciales o incrementales no lineales acopladas, que simulan el ballet entre el ser vivo y su ambiente. El acople reside en que en cualquiera de ambas ecuaciones aparece a la derecha el término estudiado a la izquierda por la otra.

    El fenotipo es lo que muestra o manifiesta un ser viviente dado; el genotipo es toda la riqueza que potencialmente tiene.

    Las aclimataciones no son adaptaciones fijadas en el mensaje genético, pero modifican el aspecto externo del genotipo (aunque al genotipo no se lo vé), las aclimataciones son expresión de lo externo que manifiesta al fenotipo. No confundimos aclimatación con adaptación, que es el resultado de un proceso de fijación que ya ingresó al genotipo a través de las mutantes, de las mutaciones, que van mostrando sus ventajas en el momento de perpetuarse diferenciadamente con otras mutantes.

    ¿Qué influye más, la herencia o el ambiente?

    Para un ser vivo plenamente adaptado a un ecosistema en estado estacionario, lo único que influye es la herencia, el genotipo; las aclimataciones, ese ser vivo no las siente necesarias. Todas las adaptaciones previas a la generación N a la cual pertenece, ya han sido fijadas y "nada lo toma por sorpresa".

    Para un ser vivo en el borde entre el orden y el caos, o en un ecosistema dinámico en estado transitorio, el ambiente es más importante que la herencia, aunque nada puede hacer el ser vivo fuera de las restricciones de su herencia.

    Supongamos que el ser vivo que estudiamos pueda aprender, o sea que esté provisto de sistema nervioso con posibilidad de aprendizaje. En ese caso aprende a aclimatarse y el fenotipo muestra el resultado de ese aprendizaje. Si no puede aprender, el genotipo debe proveer otras posibilidades de enfrentar cambios ambientales, como vemos en las plantas muy torcidas por el viento, que no acaban de desgajarse ni morir.

    Para la mayor parte de los seres vivos, los cambios en la herencia y los cambios en el ambiente se muestran como cambios en las variables de parecida importancia.

    Para contemplar más en general el proceso, escribamos nuestra ecuación para la generación N y para la siguiente, la generación N+1, en promedio para la población

    
    
  • FenotipoN ü GenotipoN + AclimatacionesN | |
  • FenotipoN+1 ü GenotipoN+1 + AclimatacionesN+1
  • Si hay estado estacionario, es porque las Aclimataciones no fijan nuevas variaciones. Si no hay estado estacionario, el genotipo promedio va variando, resultado del acervo génico que muestra los resultados del buen éxito que han tenido algunos de los individuos afectados por buenas aclimataciones, llegando a la madurez, cuando pudieron contribuir con sus genes a la formación del acervo génico de la siguiente generación.

    El proceso silvestre de variación del acervo se denomina selección natural; el proceso intencional regulado por el hombre con las especies de las cuales se alimenta, se viste, etc., se denomina selección artificial, como el caso de los caballos de carrera. Para la profesión del tecnólogo en alimentos este proceso artificial le provee CULTIVARES o razas de las distintas especies que emplea. El tecnólogo en alimentos tiene, junto con la demanda final, el poder de decisión ya que entre ambos seleccionan los cultivares que más se adapten a sus procesos térmicos o preservantes, que no sean inconvenientes bromatologicamente y que tengan buen mercado. Casi siempre va a preferir clones que le garantan uniformidad y no especies recombinadas. Va a cambiar frecuentemente de cultivares en la medida que la tecnología agronómica le ofrezca nuevas opciones interesantes. Las normas bromatológicas actuarán como reaseguro que evite la incidencia de los riesgos de cambiar.

    El tomate silvestre, Lycopersicum esculentum, carece de vitamina A. El cultivar adecuado tiene tanta concentración de esa vitamina que su color es el de la zanahoria, que la demanda final rechaza porque ella privilegia cada vez más el rojo intenso. Las semillas de los tomates anaranjados, buena solución nutricional, son apenas una rara curiosidad en muy escasas semillerías.

    El proceso de cambios en las aclimataciones es de la incumbencia de la ecología. De los cambios genéticos y de los cambios ecológicos resultan el cambio global o fenotípico, que es variable dependiente de todos los mecanismos mencionados.

    En los seres vivos sociales puede haber un aprendizaje por imitación (o de otro tipo) de cómo la generación previa encaró algunas aclimataciones muy importantes.

    Ese aprendizaje, si existe, confiere grandes ventajas al fenotipo.

    Este tema en particular se elabora en la discusión siguiente.

    DOS ATRACTORES DEL SISTEMA BIOLOGICO


    LECTURA 81 MARGALEF, RAMON


    Basta aclarar que casi todas las especies son presa de otras de mayor tamaño. El ejemplo de la lectura 16, de la mosca y la rana, o de la lectura 63,del florecimiento del bambú cada 20 años y de la aparición de las cigarras periódicas cada 17 años, nos ubica en el concepto de carácter de determinación precisa. La la mosca debe mutar para escapar de las habilidades coevolucionantes de la rana. La selección natural elige entre todas las moscas mutantes a las que ofrecen los CARACTERES DE DETERMINACION PRECISA con los cuales pueda evitar la captura. Un ejemplo de esos caracteres es la mayor rapidez de escape. La cigarra "periódica" debe aprovechar la saturación de sus enemigos biológicos desprevenidos con su periocidad relacionada con un número primo, de tal manera que su mejor carácter de determinación precisa es saber contar bien ese lapso de 17 años. Si cuenta mal, sucumbe antes de reproducirse.

    En los seres de vida corta, como las plantas expuestas a incendios casi anuales, los CARACTERES DE DETERMINACION PRECISA consisten en madurar en un año y hallar una forma de propagar sus simientes lo más lejos posible en busca de biotopos destruidos, donde radiar sin tener competencia por el sol. Para ello ha de especializarse en alguna estrategia concreta. ¿Cómo consigue perfeccionarse? Mutando al azar y dejando que la selección natural pode las mutantes poco aptas, con lo cual de suyo han de sobrevivir las mutantes que mejor expliciten alguna estrategia favorable, consecuencia no programada de antemano. Estas mutaciones pueden ser estructurales o comportamentales (conductuales), porque siempre un órgano se puede basar en otro previo y una costumbre se puede basar en otra previa. Siempre habrá una potencialidad genética desaprovechada que sirva de base para un cambio.

    La "saturación del predador" es una atractor que tiene como coordenadas:
  • vida corta o tipificación de presa- tamaño reducido - poca complejidad - preponderancia de lo innato con respecto a lo aprendido - logro de una fertilidad suficiente como para saturar a los enemigos biológicos (predadores)

    El otro atractor, "eucultural", descripto por Margalef tiene como coordenadas:
  • vida larga o tipificación de predador - tamaño grande - mucha complejidad - preponderancia de lo aprendido con respecto a lo innato - fertilidad muy reducida en términos comparativos, que no sirve para saturar a los enemigos biológicos -

    La vida es una autoorganización heredable.

    * Los seres vivos que convergen hacia el atractor "saturador del predador" necesitan un mínimo de autoorganización y sobre esa base son lo más fértiles que puedan o les resulte conveniente. Señalar "lo más fértiles" significa enfatizar la autorreplicación y lo heredable. Primera prioridad: heredable.

    De esa forma se mantienen en estado estacionario.

    * Los seres vivos que convergen hacia el atractor "eucultural" ("eu" significa verdadero), necesitan un mínimo de fertilidad y sobre esa base son lo más autoorganizados que puedan o les resulte conveniente. Primera prioridad: autoorganización. De esa forma entran en explosión demográfica.

    Hay entonces un trueque entre la "autoorganización" y la condición de "heredable". Se parece a la tercera figura de Hopfield, del circuito biestable sin privilegios.

    La paradoja es la explosión demográfica de la especie "eucultural". Por tener aptitud para aprender, por ejercitar el cómo se aprende, esa especie resolvió cómo se procrea y se puebla la tierra, consecuencia inesperada pero preñada de significado.

    ¿Cómo se aprende? Hasta mostrando los sentimientos maternales y esperando el retorno emocional, copiando a un maestro-modelo-actor como aprendiz-agente-imitador (lectura 76), segun se sabe cientificamente. Las grandes religiones y las grandes culturas basadas en una religión siempre han mostrado a sus maestros-modelos-actores para que los imitemos, pese a nuestras limitaciones. Lo más noble que tenemos, que por supuesto que es tambien compartido con un animal o un vegetal, nos ha conducido por el camino que otras especies extinguidas ya habían transitado antes y que nuevas especies podrían sentir como un atractor potencial.

    El privilegio especial de ese atractor más bien está enfatizado por la cuarta figura de Hopfield, del circuito biestable con privilegios. Los cinco reinos tienen situaciones diferentes.

    Los microorganismos no mueren y en caso de presencia de depredadores confían que su velocidad de duplicación conspire con esa corta vida para lograr salirse con la suya. En el otro caso de ausencia de depredadores, lo indicado ya no aparece así.

    Los hongos tienen un nicho restringido y necesitan defenderse en la vejez

    Las plantas optimizan altura y resistencia mecánica. Les conspira los incendios, motivo por el cual reinician con semillas voladoras adaptadas a eventuales incendios.

    Los animales tienen no menos de dos atractores

    • pequeños de corta vida, saturación del depredador
    • grandes de duracion larga, " informáticos", de base cognitiva.

    Entender las implicancias de una sola teoría es tarea de toda una vida. La unificación de tres teorías, como las de la autoorganización, la de la selección natural y la de la biología molecular, nos ha de llevar más tiempo todavía. En las páginas precedentes está el ambicioso intento de hacer un primer esbozo.

    SEGUNDA PARTE

    Principio de Le Chatelier en la biología.

    La explicación completa exige formular un principio de Le Chatelier generalizado para sistemas biológicos

    Comenzamos por recordar el principio de Le Chatelier de la termodinámica clásica.

    En todo sisterma en equilibrio o en sus cercanías, aparece espontaneamente una dinámica que se opone a la influencia de fuerzas externas, fuerzas impulsoras de dicha dinámica. Esas fuerzas externas son fluctuaciones atenuadas por el sistema dinámico. Dinámica significa aquí proceso en movimiento. Se define aquí como "sistema dinámico" al que logra poner en marcha ese proceso en movimiento, digamos "continuo", para aclarar que todas las variables van fluctuando continuamente, incluso, en animales, las asociadas con sueño o hibernación y vigilia.

    Por ejemplo, tenemos un vaso con agua líquida y hielo, a 0ºC. Sube la temperatura externa (por una fluctuación). El análisis minucioso de lo que pasa es:
    • sube la temperatura externa (fuerza externa o fluctuación estimulante que afecta al sistema en equilibrio),
    • aumenta la fuerza impulsora o gradiente (mayor diferencia de temperatura entre ambiente y contenido del vaso),
    • acopladamente se inicia una dinámica refrigerante para que se amortigüe la fluctuación o fuerza impulsora o gradiente (se derrite el hielo).
    • "El proceso destruye al gradiente", "la natura aborrece al gradiente". Efectivamente, el derretimiento o fusión es una operación endotérmica, necesitada de calor externo. El contenido del vaso, junto con el ambiente fluctuante, forman un sistema dinámico, a los efectos de conciliar con las perturbaciones ambientales y con las perturbaciones ambientales. Estas últimas, por así decir, "necesitadas" de refrigeración, forman un sistema dinámico por referencia al vaso conteniendo hielo.

    Este mismo ejemplo tiene una segunda parte, pues sirve asimismo para comprender imaginativamente lo que sucede si el vaso se coloca en un freezer. Aparece en el ambiente un gradiente o fluctuación refrigerante. Ahora la dinámica desencadenada es la del agua líquida con algo de hielo, que se congela más y más, para destruir al gradiente. Al formarse una mayor cantidad de hielo aparece calor: la congelación es una operación exotérmica, que libera calor al ambiente. Liberar calor es oponerse a la fluctuación de refrigerar el vaso colocado en el freezer en funcionamiento.

    En los sistemas biológicos el mecanismo básico es similar, pero más complicado en los detalles. En lugar de estar en el equilibrio, el sistema biológico complejo a veces está cerca de una "transición de fase del desequilibrio". Por transiciones de fase del desequilibrio, biológicas, entendemos el pasaje de un gen, de una neurona, de un órgano, de un proceso biológico, de un organismo, desde un estado apagado (0) a un estado encendido (1), o viceversa. Pasar de la infancia (0) a la pubertad (1), pasar de un gameto no fertilizado (0) a uno fertilizado (1), pasar un cultivo celular desde un crecimiento continuado (0) a una inhibición por contacto (1), pasar una sanguijuela del estado de saciedad por exceso de serotonina (0) al estado de hambre por falta de serotonina (1), pasar la glándula tiroides de no producir calcitonina (0) a producirla (1), pasar un niño desde la incapacidad de hablar antes de su período para hacerlo (0) a la época propicia para aprender los rudimentos de su lenguaje materno (1), pasar un mamífero del sueño o de la hibernación (0) a la vigilia (1), pasar un caballo del paso al trote y del trote al galope, pasar un invertebrado por etapas de metamorfosis, saltar un sistema de genes de Kauffman desde una condición inicial a su atractor final, ir y volver de un reloj biológico, u operar con los dedos como hemos hecho al final del módulo I, son todos ejemplos de transiciones de fase del desequilibrio. La voz desequilibrio nos recuerda que la vida está mantenida, ya sea por el sol, o ya sea por el ingreso de glucosa (segun de cual reino biológico se trate). Para decir verdad, tambien el hielo del vaso está en un cierto desequilibrio microscópico mientras se funde o se congela. Pero los gradientes son comparativamente microscópicos (pero igualmente "aborrecidos" por la natura.

    Cualquiera de los sistemas que estamos considerando destruye gradientes. Esto estabiliza al ambiente y homeostatiza al ser vivo. Con estas explicaciones, el principio de Le Chatelier aplicado a sistemas biológicos podría resultar algo más fácil de entender.

    En todo sistema cerca de una transición de fase del desequilibrio, aparece espontaneamente una dinámica que se opone a la influencia de fuerzas externas, fuerzas impulsoras de dicha dinámica. Esas fuerzas externas son fluctuaciones atenuadas por el sistema dinámico.

    Esta es una típica visión macroscópica de la teoría de las autoorganizaciones.

    Microscopicamente las fluctuaciones son señales bioquímicas, son hormonas, son compuestos neuroquímicos que sondan un sitio complementario. Ahora es una típica visión microscópica de la teoría de la biología molecular, a la cual se accedió despues de un cierto número de mutaciones improductivas. La selección natural no pone un límite máximo a las mutaciones que debieron ser ensayadas, pero la teoría que sí les pone un límite es la de las autoorganizaciones de Kauffman, que no preconiza infinitos atractores a un sistema complejo con condiciones iniciales modificadas. La teoría señala, en cambio, que el número de atractores está relacionado con el número de genes que participan en la programación de una transición de fase. A mayor abundamiento, transiciones de fase muy importantes dependen de un homeobox u homeocaja para su arranque.

    Cuando expresamos: Todos los organismos exhiben irritabilidad (regla 28), queremos señalar: Todos los organismos tienen relojes biológicos, exhiben transiciones de fase del desequilibrio. ¿Será causa o será efecto? En los sistemas dinámicos la diferencia entre ambos términos no parece importante, todo parece depender de todo y causarlo todo. La fluctuación no será genética antes que externa, para pasar de una fase a otra? ¿Serán estas claras transiciones de fase explicables por el principio de Le Chatelier o estamos abusando de un mecanismo de homeobox, microscópico y complejo?

    Se puede traer a colación el tema de los pájaros carpinteros del Módulo I, Unidad 2, Cap.2 yCap. 3 , basadas en explicaciones de Karl Popper, con fluctuaciones que duraron muchas generaciones y que esas fluctuaciones finalmente se resolvieron por mecanismos microscópicos en un cambio en el pico sin que haya relación causa - efecto, ya que ni los antojos de los progenitores del pájaro ni las fluctuaciones no han sido la "causa" del mecanismo microscópico, resultante de muchas pequeñas "causas".
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