Para ver lo invisible

Uno de los microscopios de Leeuwenhoek
(Foto CC del Museo Boerhaave, Leiden,
vía Wikimedia Commons)

En 1676 el ser humano emprendió la incursión en el mundo de lo invisible, lo que hasta entonces era tan pequeño que nuestros ojos no podían detectarlo.

“El 9 de junio, habiendo reunido, temprano en la mañana, algo de agua de lluvia en un plago (…) y exponiéndola al aire por el tercer piso de mi casa (…) no pensé que debía percibir entonces ningún ser viviente en su interior; sin embargo, al verla, con admiración observé miles de ellos en una gota de agua, que eran de los más pequeños que había visto hasta la fecha”.

Con estas palabras, en carta fechada en octubre de 1676, Antonie Van Leeuwenhoek (pronunciado “van lívenjok”) informaba a la Real Sociedad de Londres la que es con toda probabilidad la primera observación de organismos microscópicos realizada jamás por un ser humano.

El comerciante y científico holandés llevaba ya tres años relacionado con la Royal Society, que había sido fundada apenas en 1660 por una docena de científicos para debatir acerca de la “nueva ciencia” de Francis Bacon, padre del método científico, y analizar y comunicar experimentos científicos. Era el inicio de la revolución científica, el lugar ideal para las observaciones de Leeuwenhoek sobre la boca y los aguijones de las abejas que realizaba con su sencillo microscopio.

Esta carta fue recibida con escepticismo. Un holandés, ciertamente respetado, pero desconocido, decía haber visto miles de seres vivos minúsculos en una sola gota de agua de lluvia. No había precedentes, sonaba extraño y la cautela era una actitud razonable ante estas afirmaciones.

El instrumento de Leeuwenhoek no era ninguna novedad. Había nacido también en Holanda, alrededor de 1590, al parecer creado por Zacarías Janssen y su hijo Hans, aunque también se atribuye a Hans Lippershey, inventor del telescopio.

El propio Galileo perfeccionó uno de estos adminículos formado por dos lentes y un mecanismo de enfoque, al que llamó ‘occhiolino’, el pequeño ojo. El alemán Giovanni Faber, colega de Galileo en la Academia Linceana, lo bautizó en 1625 como “microscopio” de modo análogo a “telescopio”, otra palabra creada en la academia.

El microscopio fue usado para observar tejidos y seres animales y vegetales hasta entonces inaccesibles al ojo humano. Así, el británico Robert Hooke realizó una gran cantidad de observaciones que publicó en su libro de 1665, “Micrographia”, donde informó de ciertos componentes a los que llamó “celdas” o “células”.

Pero la observación de Van Leeuwenhoek era una nueva dimensión de lo invisible con animales pequeñísimos (“animálculos” los bautizó) distintos de todo lo conocido hasta ese momento. Estaba seguro de lo que veía, sobre todo porque no había ocurrido una vez, sino que seguía viendo, registrando y anotando cuanto atestiguaba en ese mundo vivo totalmente nuevo. Por fin, la Real Sociedad decidió enviar a una comisión a Deft, en el sur de Holanda, para determinar la fiabilidad de Antonie. En 1680 la Real Sociedad certificó las observaciones de Leeuwenhoek y lo aceptó como socio de pleno derecho.

Comenzó así el esfuerzo por profundizar en ese mundo invisible. El propio Leeuwenhoek reveló que nuestra sangre contenía unos corpúsculos que hoy llamamos glóbulos rojos, y que en el semen humano existen los espermatozoides. Estos descubrimientos implicaron, por supuesto, encendidos debates científicos, pero también teológicos.

El microscopio entró en una época de desarrollo. De un máximo de unos 500 aumentos de los aparatos de Van Leeuwnhoek, se llegó a 5.000. La comprensión de la luz producto de la óptica, permitió iluminar mejor los especímenes, utilizar luz de distintos colores, o polarizada, o que provocara la fluorescencia del objeto observado, todo buscando observaciones cada vez más precisas. Además, se desarrolló toda una disciplina para teñir los materiales observados mejorando su contraste respecto del medio circundante o de otros individuos. Un ejemplo es el método de Camilo Golgi para teñir tejido nervioso utilizando dicromato de potasio y nitrato de plata, permitiendo estudiarlo mejor bajo el microscopio. Santiago Ramón y Cajal perfeccionó este procedimiento para realizar los estudios sobre la estructura del sistema nervioso que le valieron a ambos científicos conjuntamente el Premio Nobel de medicina o fisiología en 1906.

El desarrollo de la microscopía se encontró sin embargo con un límite impasable: las características de la luz. La longitud de onda media de la luz es de unos 550 nanómetros (milmillonésimas de metro). Debido a esto, dos líneas que estén a menos de 275 nanómetros (la mitad de la longitud de onda de la luz) una de otra se verán como una sola línea, y todo objeto de menos de 275 nanómetros será indistinguible o invisible.

La solución fue iluminar los objetos con haces de electrones, que pueden tener longitudes de onda 100.000 veces menores que la luz visible (formada por fotones) y puede conseguir una resolución mucho mayor y aumentos de hasta 10 millones de veces. Estos haces de electrones utilizan campos electrostáticos y electromagnéticos a modo de “lentes” para enfocarse. El aparato capaz de hacer esto es el microscopio electrónico, el primero de los cuales fue construido en 1931 por el alemán Ernst Ruska (Premio Nobel de Física en 1968) y el ingeniero eléctrico Max Knoll, y en estos 80 años ha dado origen a técnicas más avanzadas y refinadas de utilizar este principio.

Finalmente, en la década de 1980 apareció el microscopio de sonda de barrido, que utiliza sondas físicas para explorar los objetos y generar imágenes de los mismos empleando puntas de prueba de un diámetro mínimo (hasta de un átomo de diámetro) que exploran físicamente las superficies. Se han desarrollado no menos de 25 formas distintas de este tipo de microscopios para las más diversas aplicaciones.

Hoy podemos ver, un tanto borrosos, los átomos de carbono que formando una rejilla de hexágonos componen una lámina de un solo átomo de espesor. La técnica y la ciencia siguen haciendo visible lo invisible, encontrando explicaciones y descubriendo nuevos misterios a partir de nuestra capacidad de ver a niveles para los que nunca estuvieron diseñados nuestros ojos.

Y sin embargo, al parecer nada satisface a los científicos ni al público. Queremos “ver”, o al menos saber con precisión cómo se ve, el mundo por debajo del nivel atómico: el aspecto de un quark, el proceso de replicación del ADN a nivel de enlaces atómicos, el tejido mismo del espacio, invadir la totalidad de lo invisible.

El más poderoso El microscopio electrónico TEAM del Laboratorio Nacional de Berkeley en los Estados Unidos, con un coste de 27 milones de dólares, es capaz de ver objetos de la mitad del tamaño de un átomo de hidrógeno, o 0,05 nanómetros y está en operación para distintos experimentos e investigadores desde 2009.

La muerte organizada de las células

Dos dedos de los pies han quedado unidos debido
a una mutación que ha inhibido la apoptosis
(foto GDFL pschemp via
Wikimedia Commons)

Una parte curiosa del desarrollo de los organismos a lo largo de toda su vida es la destrucción de algunas de sus células con un objetivo determinado, células que están dañadas, envejecidas o han tenido una utilidad y han dejado de tenerla.

Por ejemplo, en el desarrollo del feto humano, como podemos ver en las fotografías tomadas dentro del útero, todos tuvimos manos y pies palmeados, con los dedos unidos por una membrana. En un momento del desarrollo, es necesario que las células de esas membranas se eliminen, que mueran para liberar a los dedos.

Otro ejemplo es el colapso del endometrio en el útero femenino, que comienza por la muerte de las células que lo unen al útero y disparar el período menstrual. O las células que representan un riesgo para el organismo, han sido atacadas por virus, están envejecidas, tienen daños en su ADN o problemas de otro tipo, y deben morir para ser sustituidas por células nuevas, jóvenes e íntegras.

La muerte de una célula puede tener un grave impacto sobre su entorno. Cuando dicha muerte se debe a un problema patológico, la célula se descompone por acción de enzimas, ácidos, agentes patógenos u otros elementos, y al degradarse libera a su entorno varias sustancias tóxicas que disparan la reacción inflamatoria de las células circundantes. Cuando ocurre esta muerte traumática y, por usar una metáfora, involuntaria, se desarrolla este proceso de degradación que los biólogos conocen como necrosis.

Construir un cuerpo durante la gestación y el crecimiento, o mantenerlo vivo y sano serían procesos muy difíciles si todas las muertes celulares provocaran los devastadores efectos de la necrosis, pues el cuerpo humano, por usar un ejemplo que nos resulta entrañablemente cercano, experimenta la muerte de alrededor de un millón de células cada minuto que pasa, renovando nuestros tejidos, creciendo, atacando a las enfermedades.

El suicidio

Por fortuna, muy temprano en la historia evolutiva de los seres pluricelulares, apareció un procedimiento de eliminación ordenado, mediante el cual la célula, de nuevo metafóricamente, “se suicida” mediante un proceso genéticamente controlado que permite que muera sin causar los problemas de la necrosis.

A este proceso de autodestrucción se le conoce como apoptosis, o muerte celular programada, es un proceso codificado en los genes de todas las células con núcleo de nuestro organismo.

El científico alemán Karl Vogt, influyente personaje de la biología, la zoología y la fisiología, descubrió el proceso de la muerte celular programada en 1872 durante sus estudios sobre la metamorfosis de los anfibios, en la que la apoptosis juega un importante papel, y fue el primero en describirlo. Aunque otros estudiosos se ocuparon de la muerte de las células, la biología estaba más centrada en entender la vida de la célula que su muerte, y el concepto pasó bastante desapercibido hasta la década de 1960.

En 1964, el biólogo celular Richard A. Lockshin y su director de tesis Carroll Williams publicaron un artículo sobre el gusano de seda y lo que llamaron “muerte celular programada”. Un año después, en 1965, John Kerr observó una clara distinción entre la muerte traumática y lo que llamó, por primera vez, “apoptosis” en 1972. La palabra procede del griego antiguo y significa la caída de los pétalos de una flor o de las hojas en el otoño.

A partir de entonces, el interés general de las ciencias de la vida sobre la apoptosis ha ido creciendo notablemente, igual que los conocimientos sobre sus mecanismos y utilidad para el organismo.

En una descripción muy general, el proceso de muerte programada en la célula comienza con una reducción de su volumen. Su citoplasma se condensa en porciones o vesículas rodeadas de membrana celular, su cromatina o material genético se fracciona en varias masas relativamente grandes que son engullidos por las células circundantes, y se forma una serie de burbujas o cuerpos apoptóticos que contienen en su interior los organelos de la célula que son absorbidos por las células circundantes y por las células llamadas macrófagos.

Patologías y apoptosis

Cuando una célula experimenta una mutación, suele activar el proceso de apoptosis, salvo si la mutación afecta también a los genes responsables de la apoptosis, en cuyo caso la célula afectada sobrevive y puede multiplicarse descontroladamente como un proceso canceroso. Es decir, la desactivación de la apoptosis es un elemento clave en el desarrollo de esta enfermedad.

Igualmente, muchos virus tienen la capacidad de codificar o crear moléculas que inhiben el programa de apoptosis, evitando que la célula muera cuando se lo indican las células del sistema inmune y permitiendo la proliferación del virus.

Del lado contrario, el de la apoptosis acelerada o descontrolada, tenemos numerosas enfermedades degenerativas, como el mal de Parkinson o el Alzheimer, en las cuales mueren células que no deberían hacerlo y que por lo tanto no son sustituidas por otras más jóvenes a velocidad suficiente, dando como resultado una pérdida en las funciones de las que son responsables dichas células.

Adicionalmente, la apoptosis no sólo puede ser desencadenada por los mecanismos interiores de la célula, sino que puede ser resultado de señales enviadas por otras células, muy especialmente las del sistema inmune, que indican químicamente a algunas células que deben autodestruirse.

Estos ejemplos, apenas unos cuantos de entre las muchas patologías en las que juega un papel relevante el control del mecanismo de la apoptosis, bastan para darnos cuenta de por qué las ciencias de la vida están hoy estudiando tan intensamente la apoptosis. Poderla disparar o inhibir a voluntad en zonas determinadas de nuestro organismo podría ayudar tanto a reducir los daños del cáncer, los procesos virales (desde la gripe común hasta el SIDA), las enfermedades degenerativas y otras afecciones, atacando un aspecto de las patologías que no ha sido considerado hasta hoy por nuestro arsenal médico.

La muerte, vista siempre como una tragedia, es sin embargo un requisito esencial de la vida, una forma de contar con organismos sanos y, al final, una necesidad en el peculiar universo de nuestro organismo.

La evolución de la apoptosis Entre los organelos de la célula, las mitocondrias son especialmente interesantes porque, al parecer, se originaron en bacterias que fueron absorbidas por células primitivas hace miles de millones de años, creando una peculiar simbiosis. Conocidas popularmente por tener su propio ADN, el de la línea materna, tema recurrente en algunas historias televisuales de investigación criminal, las mitocondrias también parecen haberse adaptado para ser las disparadoras del proceso de la apoptosis en las células, una especie de mecanismo de seguridad adquirido.