Conferencia inaugural Cáceres 1999
Ignacio Santiago ÁLVAREZ MIGUEL
Área de Biología Celular
Facultad de Biología
Universidad de Extremadura.
10071 Badajoz.
COMO SE CONSTRUYE UN SER VIVO: LA BIOLOGÍA DEL DESARROLLO
¿Qué es un hombre?
Se tiende a pensar que los organismos se crean ya formados. La construcción de un organismo a partir de estructuras más simples parece algo tan complejo que ha sido uno de los pocos aspectos de la naturaleza que no ha suscitado una visión científica hasta hace relativamente poco tiempo. El error quizá haya sido siempre pensar en los organismos como algo definido claramente. Pensemos en el hombre como organismo a considerar. Un abuelo, es un hombre, y sin duda un señor lo es también. Sin embargo los jóvenes son organismos también de la especie humana y sin duda un niño también lo es. Por lo tanto los caracteres biológicos que definen a un hombre no son constantes a lo largo del tiempo sino que varían continuamente. Ni siquiera habría que dar esos grandes saltos entre la niñez, la juventud y la madurez. Día a día, los organismos van cambiando, modificaciones inapreciables pero que acumuladas suponen que un ser humano no tenga una estructura ni edad precisa. Podríamos hacer la comparación con el planeta tierra. Cuando miramos a un paisaje, o la disposición de continentes y océanos, tendemos a pensar que las cosas siempre han estado así, que siempre han sido así. Solo cuando tomamos una visión más amplia del planeta sabemos que lo que ahora son desiertos fueron en su día amplios bosques, que montañas han sido horadadas por los elementos y que mares y tierras han sido reemplazados de lugar a través de las eras geológicas. Entonces, ¿qué es la tierra lo que vemos ahora o tal como era hace millones de años?. Entonces, ¿qué es un organismo humano, un niño o un abuelo?.
Con el planteamiento hecho en el párrafo anterior todos habremos pensado que es un error considerar a un organismo como algo fijo, y que un hombre, en el sentido amplio de la palabra, abarcara al menos el período desde la niñez a la vejez. Hay una ciencia, de creación reciente y que se pretende explicar aquí, que investiga y analiza estos cambios que a lo largo del tiempo sufren los organismos. Analiza como se realizan y como se controlan. También intenta averiguar él porqué de estos cambios, aunque en esta última pregunta, como en otras muchas de la Biología las respuestas son aún vagas. Esta disciplina se conoce actualmente con el nombre de Biología del Desarrollo.
Sin embargo la definición de un ser vivo no ha llegado a su plenitud. Hemos de reconocer todos que ya es más difícil considerar a un embrión como un organismo, como un hombre. El misterio que ha rodeado la formación de un recién nacido, oculto y misterioso nos ha permitido pensar que no es un hombre, uno de nuestra especie. Parece algo ajeno, y sólo después del parto entra en él circulo privilegiado de la especie humana. Sin embargo, ampliando los argumentos hechos anteriormente y considerando el parto como una etapa mas, como un salto importante en la historia de un organismo, no tenemos mas que reconocer que un embrión también es un hombre. De hecho, los cambios que se producen durante la vida embrionaria son mucho más significativos y acelerados que en ninguna otra etapa de la existencia del hombre o de cualquier otro organismo. Es lógico por lo tanto, que la ciencia que estudia los cambios producidos a lo largo del tiempo en los organismos, es decir la Biología del Desarrollo, tenga mas campo de trabajo en estas fases iniciales de la existencia de un organismo, durante el desarrollo embrionario. Utilizando la analogía previa con el planeta tierra, los cambios y alteraciones de nuestro globo en los primeros años (digamos quizá millones de años) de su formación debieron ser simplemente incomparables con el lento proceso actual de erosión en el valle de un río. Sería comparar como se produce las arrugas en las personas mayores y como se ha formado un cerebro. Concluyendo estas comparaciones y analogías, podemos decir que la Ciencia de la Biología del Desarrollo aborda los cambios que se producen a lo largo del tiempo en un organismo y, por su significación especial, los que se llevan a cabo durante los primeros momentos de su existencia.
Después de la definición previa, la siguiente pregunta que hemos de plantear parece totalmente lógica: ¿Cuándo comienza la existencia de un organismo, de un determinado ser vivo?. Y tenemos respuesta: en la fecundación. Un ser vivo distinto a los demás existentes tanto de otras especies como de la suya propia se consigue cuando un gameto masculino y otro femenino, cada uno de ellos único, se fusionan para formar un solo organismo. Como veremos esta regla de la exclusividad de los organismos podría romperse con el proceso de la clonación, pero, aun estamos hablando de la naturaleza y no hemos entrado en el laboratorio. La fecundación consigue por lo tanto crear una verdadera célula, una primera célula a la que se denomina zigoto. Aquí es donde empieza la gran tarea, de una célula ha de construirse un organismo que solo en el cerebro tiene 1 billón de células. Hacerlo es cosa de la naturaleza, estudiarlo de la Biología del desarrollo, y tratar de resumirlo es en este caso mi tarea e intención.
Primeros pasos: dividir y diversificar.
Con lo expuesto anteriormente, todos los organismos parten de una única célula, en principio irrepetible gracias a los mecanismos propios de la herencia genética. Esa célula es por lo tanto el primer hombre, el primer organismo de cada especie. Nada mas producirse ese zigoto (a los pocos minutos en muchos organismos, después de unas horas en el hombre) esa célula origina dos, y después en un lapso similar de tiempo forma cuatro, y después ocho, 16, 32, etc. Esta carrera inicial por dividirse y formar mas células se conoce como la fase de segmentación.
Todas las células que se forman de esa otra original tienen un aspecto similar y durante esta fase inicial del desarrollo todas son equivalentes. Esto ultimo quiere decir que todas ellas serian capaces de formar de por sí un organismo completo. Esta afirmación se basa en el hecho de que si separan algunas de estas células del resto del embrión cada una de por sí daría origen a otro organismo. ¿Quién puede proporcionarnos una evidencia de que esto es así?. La respuesta la encontramos en la propia naturaleza. Hasta que el embrión humano tiene alrededor de 64 células, todas ellas mantienen la capacidad de formar un organismo completo ya que si produce un proceso de fragmentación o separación de algunas de ellas en estas fases iniciales del desarrollo se produce la formación de gemelos. Esta carrera por formar mas y más células iguales dura poco tiempo. Cuando el embrión pasa a llamarse mórula (por su aspecto de mora) las divisiones continúan (64, 128), pero ya no todas las células son iguales. Se distinguen morfológicamente distintos grupos de células, principalmente por el tamaño. Más importante aún, la capacidad de formar un embrión completo por cada una de ellas se ha perdido. Ya no hay formación de gemelos por partición o rotura. Es decir, cuando ha transcurrido solo un breve periodo de tiempo el embrión ya es un pequeño mosaico de regiones. Algunas de estas regiones o grupos de células darán lugar a ciertas partes del organismo y otros grupos a otras partes. Este proceso se conoce con el nombre concreto de diferenciación celular y no es otra cosa que la diversificación de las células hacia destinos precisos. De esta forma, con divisiones y diversificación posterior se origina a partir del zigoto una región en el embrión humano que dará lugar a todos los tejidos del adulto y que se conoce como masa celular interna y por otra parte a un conjunto de células denominado trofoblasto que se encargara de nutrir a la masa celular interna y que no es otra cosa que la placenta.
Lo más importante: organizar.
Las divisiones y la diversificación van a ser ya dos hechos comunes durante todas las etapas del desarrollo embrionario. Pero a la vez que el numero de células sigue aumentando (256, 512, 1000, 2000) los grupos celulares que se van originando cada vez son más distintos entre sí. El embrión en estas etapas pasa a denominarse blastodermo (blastodermo significa capa de células rodeando a un agujero, y ese es precisamente el aspecto del embrión durante esta fase). En el hombre el tiempo transcurrido para la formación de un blastodermo es de aproximadamente una semana, momento que coincide con su implantación en la cavidad uterina y por eso la necesidad de formar un trofoblasto. Con este número de células se impone una necesidad, un imperativo propio de las sociedades donde hay un numero elevado de individuos: organizarse. El blastodermo sigue formando células y estas siguen diversificándose pero empiezan a establecerse unas reglas de comportamiento para que se forme un individuo tal como lo conocemos en la fase adulta. Por decirlo de manera fácil, las células que van a formar el corazón han de estar todas juntas y colocarse en el lugar adecuado para que se forme ese órgano. Lo dicho para el corazón puede aplicarse al resto de los órganos que componen un ser vivo. La orquestación de todo esto se lleva a cabo por el mecanismo conocido como gastrulación. En el blastodermo se origina una región (la línea primitiva, nombre que se debe a Aristóteles y que viene a significar el comienzo de todo) que va a actuar como guardia de tráfico dirigiendo cada grupo de células hacia su destino preciso. Gracias a la actuación en el embrión de la línea primitiva se prepara un mini-adulto, con cada esbozo o atisbo de órgano en la posición adecuada. Lewis Wolpert, un renombrado biólogo del desarrollo, llegó a decir que la fase más importante de la existencia de un hombre no es el nacimiento, la muerte o el matrimonio, sino la gastrulación. La línea primitiva actúa pues como un centro organizador, un director de orquesta que según se originan células mediante divisiones continuadas y según se van diversificando para formar los distintos órganos y tejidos, las va colocando. Se organiza de esta manera un nuevo organismo. El nombre de centro organizador ha prevalecido y se conoce a la línea primitiva como uno de los centros organizadores más importantes. No hay que tener una visión simplificada de este proceso, de hecho, todos los organismos aunque a un primer vistazo pueden parecer simples son complejos en su organización. La línea primitiva es el centro organizador del desarrollo embrionario por excelencia. A ello han contribuido los famosos experimentos de Spemann y Mangold en los que descubrieron que la capacidad organizativa de la línea primitiva puede ser transmitida a otras células. Estos investigadores tranplantando regiones del equivalente a la línea primitiva en los anfibios consiguieron formar un segundo mini-embrión en la zona donde se ha producido el transplante. Por estos experimentos recibieron el premio Nobel y esto suscitó a su vez un realce del estudio de los procesos del desarrollo. Es por ello que se considera a Spemann el fundador de la Biología del Desarrollo actual. Han pasado 75 años desde los experimentos mencionados y aún no se sabe a ciencia cierta que mecanismo utiliza la línea primitiva y otros centros organizadores para construir un embrión. La identificación de estos mecanismos es sin duda uno de los mayores retos de la Biología del Desarrollo y quizá de la Biología en general. El laboratorio de Biología del Desarrollo de la Universidad de Extremadura al que pertenezco se enorgullece de ser uno de los involucrados en tan difícil e importante tarea.
A crecer (y envejecer).
No hay que ser arquitecto para saber que una vez que los planos de la casa están completos y el armazón de la misma ha sido construido, lo más difícil esta hecho. El embrión no es distinto. Después de la gastrulación el embrión ya se parece a un ser vivo adulto, es como el germen o el inicio de un nuevo organismo. De hecho eso quiere decir la palabra embrión y ya no se le denomina de ninguna otra forma. La gastrulación ha construido el armazón del organismo, ha distribuido los espacios e incluso ha dejado una pequeña muestra de cómo debería ser el acabado de cada zona del ser vivo. Por lo tanto, después de la gastrulación comienza la ultima fase importante del desarrollo embrionario: el crecimiento o organogénesis.
Esta etapa es la más visible, puede verse a simple vista (solo hay que observar a una mujer embarazada) y por lo tanto ha suscitado más curiosidad a lo largo de la historia científica. El estudio del embrión durante esta fase de crecimiento es una ciencia antigua y su nombre refleja todo su significado: Embriología. Esta ciencia puede considerarse como un estudio anatómico del crecimiento de órganos y tejidos que forman un ser vivo. La embriología no es otra cosa por tanto que la Anatomía del embrión. Como ciencia consolidada sus logros están bien definidos y mientras que el numero de tratados sobre la Biología del Desarrollo es escaso, textos de Embriología han sido cabecera de estudio de innumerables generaciones de médicos.
Durante esta etapa del desarrollo no intervienen mecanismos de coordinación tan complejos como durante la gastrulación. Por ejemplo, el esbozo del sistema nervioso se ha formado durante las primeras fases de la gastrulación. Es como un cerebro y medula espinal en miniatura que recibe el nombre de tubo neural. A pesar de su reducido tamaño ya esta compuesto por todas las regiones y divisiones que constituirán el sistema nervioso adulto. Cuando se completa la formación del tubo neural este no tiene mas de 10.000 ó 15.000 células. Durante el crecimiento del sistema nervioso se originarán aproximadamente un billón (1012), una progresión increíble. Las condiciones para que se produzca este crecimiento desmesurado han de ser indudablemente las optimas y la señal de parada para que el sistema nervioso no siga creciendo desmesuradamente muy precisas. Salvando estos dos requisitos, que no son otra cosa que mecanismos de regulación, esta fase del desarrollo se caracteriza por un aumento de los órganos, no solo el sistema nervioso que nos ha servido de ejemplo, sino de cualquier otro elemento de un organismo, desde el hígado o el intestino a los dedos de la mano.
Pero, y volvemos a utilizar el sistema nervioso como ejemplo, cuando aún se esta produciendo este crecimiento, empieza también la decrepitud del sistema. Sin que sepamos porqué, ya en el embrión muchas células han terminado su función y por tanto su existencia. En algunos casos casi la mitad de células que se originaron para dar lugar a un sistema nervioso han desaparecido en el momento del nacimiento, y esta degeneración continua (aunque a menor ritmo) durante la niñez y juventud. No hay que esperar a ser viejo para envejecer. La biología del desarrollo tiene mucha tarea a la hora de investigar las causas que consiguen organizar un embrión, diseñar el plan corporal y saber como controlar los procesos del desarrollo, pero también tiene un gran reto a la hora de analizar por que nos deterioramos y envejecemos.
Nuestro futuro.
Hemos tratado muchos temas que nos afectan o pueden afectarnos dentro de la vida cotidiana. Se ha hablado de gemelos y eso no es ciencia-ficción, es muy probable que algún lector entre en este grupo. Sin embargo otros aspectos del desarrollo han aflorado recientemente a los periódicos y otros medios de comunicación. Por ejemplo el proceso de fecundación y las primeras etapas de la segmentación pueden actualmente realizarse en el laboratorio, originando así las técnicas de reproducción asistida como la fecundación â?oin vitroâ? (FIV). Ya no necesitamos el soporte físico de nuestro cuerpo para las etapas mas iniciales del desarrollo embrionario y el futuro no acaba mas que empezar.
También hemos hablado que las células van perdiendo poco a poco la capacidad de formar organismos completos debido a la diversificación celular. Cual sería el futuro si pudiésemos reprogramar algunas células de un adulto para que de nuevo inicien todo el proceso y formen otra vez un organismo completo. ¿Imposible?. Hasta hace poco yo mismo hubiese dicho que sí. Sin embargo, Ian Wilmut, un escocés preocupado en la investigación sobre el desarrollo de ovejas lo ha logrado. Utilizando una célula de un organismo adulto, una célula que como todas se originó de un embrión pero tan diversificada que en condiciones normales si se aislase degeneraría, ha creado un nuevo organismo. El procedimiento se puede decir que es simple: el núcleo (la región que tiene la información genética) de la célula adulta se transplanta a un zigoto al que previamente se le había eliminado su propio núcleo. El resultado: una nueva oveja idéntica genéticamente (clónica) a la oveja que cedió la célula adulta. Las posibilidades: ilimitadas en principio, pero sujetas a la integridad y buen criterio que ha de llevarse a cabo con cualquier proceso científico. Un agradecimiento: aunque la clonación de la oveja Dolly, (así llamaron a este clon) puede ser motivo de controversia en muchos aspectos, si que ha sido una justificación para todos los investigadores que durante mucho años han trabajado y trabajan en la Biología del Desarrollo. Conocer como se forma un organismo y los cambios que se producen en el no es un mero placer de coleccionista científico. La Biología del Desarrollo es nuestro pan de cada día.
