CIENCIA HOY 40 - ARTICULOS - Organización y Coherencia de los Sistemas Vivos

Volumen 7 - Nº40 - 1997

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Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

ARTICULO

Organización y Coherencia de los Sistemas Vivos
El orden dinámico

Miguel A. Aon y Sonia Cortassa
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHASCOMUS ( SECYT )

Los procesos que tienen lugar en los organismos vivos abarcan amplias escalas de espacio y de tiempo. La relación entre estas dos variables es una medida de la velocidad con la que ocurren. Sin embargo, la relación no es uniforme y, en determinado momento, se manifiestan fenómenos de coherencia que encuentran una explicación al estudiar la geometría de las estructuras involucradas.

Existen muchos fenómenos muy comunes en el mundo natural que no se pueden describir utilizando las herramientas que la física emplea para explicar el movimiento del péndulo, o la termodinámica tradicional para estudiar los sistemas en equilibrio. Entre ellos pueden mencionarse los latidos del corazón; las distribuciones 'regionalizadas' de los depredadores en los ecosistemas; el comportamiento caótico del tiempo atmosférico; la descripción, utilizando dimensiones fraccionarias, de objetos cuyas formas no cambian al cambiar la escala con la que se los mira -como las irregularidades de una costa-, o la misma estructura de las alvéolos pulmonares. Todas ellas comparten la propiedad de exhibir un cierto comportamiento coherente, o sea que las distintas partes del conjunto son similares en escalas distintas de longitud ( invariancia de escala espacial ) o desplie- gan la misma actividad simultáneamente ( invariancia de escala temponaI ), de manera análoga a como, en el latido, las diferentes fibras del músculo cardiaco se contraen al mismo tiempo. Por otro lado, estos fenómenos sólo se manifiestan bajo ciertas circunstancias muy particulares, tan excepcionales coma las que hacen posible la vida en nuestro planeta.

En el presente articulo vamos a considerar los fundamentos teóricos y experimentales de la organización dinámica -espacial y temporal- de los organismos vivos, y lo ilustraremos con el ejemplo específico de la organización del citoplasma y de los procesos que ocurren en él.

TABLA I
NIVELES DE ORGANIZACIÓN
IMPLICADOS EN EL SISTEMA FOTO-BIOQUÍMICO

Proceso	Log Tiempo de Relajación (Tr) (s)	Log Espacio Característico (E_c) (m)
Excitación de pigmentos	-13	-10
Absorbencia cuántica	-9	-10
Captura por el centro de reacción	-7	-9
Transporte electrónico	-6	-8
Reacciones de protonación y deprotonación	-4	-8.3
Velocidades de recambio PSII-PSI	-3	-8
Flujos iónicos pasivos	-2	-7
Flujos de protones	-1	-7
Generación de Ap-ApH	1	-5.5
Cambio del potencial de membrana	1	-5.3
Estructuras espaciales	2	-3

Los valores correspondientes a los logaritmos del espacio característico y del tiempo de relación de cada uno de los niveles de organización que participan en el sistema fotobioquímico son los que se representan en la Fig. 1

FIG 1 :REPRESENTACIÓN DOBLE LOGARÍTMICA DEL ESPACIO CARACTERÍSTICO Y EL TIEMPO DE RELAJACIÓN QUE CARACTERIZAN LOS DISTINTOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN PROCESOS BIOLÓGICOS FUNDAMENTALES. SE REPRESENTAN EL LOGARITMO DEL ESPACIO CARACTERÍSTICO Y EL DEL TIEMPO DE RELAJACIÓN DE CADA UNO DE LOS PROCESOS DE LOS DISTINTOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN IMPLICADOS EN LA FOTOSÍNTESIS, CRECIMIENTO Y METABOLISMO DE MICROBIOS Y DE CÉLULAS VEGETALES, EL POTENCIAL DE ACCIÓN DE NEURONAS, EL TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Y LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.

Niveles de organización y mecanismos de coherencia de la función celular

El orden característico de los seres vivos, en el espacio y en el tiempo, surge de la dinámica misma de la organización de los procesos, de los cuales podemos encontrar ejemplos en nuestra experiencia cotidiana: el movimiento del aire que fluye en los pulmones, la renovación permanente de las células hepáticas, la circulación de la sangre, impulsada por el ritmo del corazón, el movimiento de iones que estimulan los impulsos eléctricos en las células nerviosas, el ritmo menstrual femenino, entre otros. De estos movimientos o flujos depende la continuidad de nuestra vida; lo mismo ocurre en cada nivel de organización de las células en todos los organismos.

FIG 2
ANALOGÍA GRÁFICOA DEL CONCEPTO DE ORGANIZACIÓN DINÁMICA. LOS DISTINTOS RELIEVES REPRESENTAN LA TRAYECTORIA DINÁMICA DE PROCESOS CELULARES COMO LA ACTIVIDAD CATALÍTICA DE ENZIMAS, LA SÍNTESIS DE MACROMOLÉCULAS, LA DIVISIÓN CELULAR, ETC. (SIMBOLIZADOS COMO ESFERAS), QUE FUNCIONAN EN DISTINTOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN, O SEA EN DIFERENTES ESCALAS DE ESPACIO Y TIEMPO (FIG.1). LAS LÍNEAS PUNTEADAS QUE VINCULAN LAS ESFERAS INDICAN EL ACOPLAMIENTO DE LOS DISTINTOS PROCESOS CELULARES. DICHO ACOPLAMIENTO MODIFICA LA DINÁMICA DE LA TRAYECTORIA DE LAS ESFERAS EN LOS DIFERENTES NIVELES DE ORGANIZACIÓN, REPRESENTADOS POR EL CAMBIO EN EL RELIEVE (EL DESPLAZAMIENTO DE LAS ESFERAS POR DISTINTOS VALLES, PLANICIES, HONDONADAS O CRESTAS). LA BOLA DEL RELIEVE SUPERIOR INDICARÍA UN PROCESO DE UN NIVEL DE ORGANIZACIÓN SUPERIOR O MACROSCÓPICO (QUE ES RELATIVAMENTE LENTO EN EL TIEMPO Y DE COORDENADAS ESPACIALES RELATIVAMENTE GRANDES O VISIBLES A SIMPLE VISTA). ESTO ÚLTIMO SE EJEMPLIFICA CON LAS ESTRUCTURAS O BANDAS DE REACTIVO COLOREADO EN EL SISTEMA FOTOBIOQUÍMICO CUYOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN SE ESPECIFICAN EN LA TABLA 1.

Uno de los antecedentes conceptuales inmediatos de la organización dinámica (Figs. 1 y 2) es el reconocimiento de varios niveles de organización en el funcionamiento de los organismos vivientes. A estos niveles podemos jerarquizarlos de acuerdo con un criterio de complejidad creciente. Por ejemplo, en un nivel inicial podemos ubicar a las moléculas, como las proteínas; luego a las 'asociaciones' moleculares, que forman los complejos de proteínas; luego, a las estructuras subcelulares, que constituyen las mitocondrias; después, las células, por ejemplo las epiteliales, los tejidos, en este caso la epidermis; los órganos, aquí la piel; y siguen los sistemas, los organismos, y, por último, las poblaciones.

Nos planteamos efectuar una caracterización cuantitativa de estos niveles de organización, para lo cual nos hemos concentrado en los procesos biológicos que tienen lugar en cada uno de ellos, como -por ejemplo- los existentes en la regulación, por las proteínas, de la velocidad de las reacciones biológicas que tienen lugar en el primero de los niveles, el molecular. Realizamos así una caracterización del tiempo y del espacio en el que ocurren los distintos procesos biológicos correspondientes a cada nivel (véase recuadro 'Niveles de organización biológica').
El funcionamiento de distintos procesos celulares opera simultáneamente en varios niveles de organización, caracterizados por distintas escalas de espacio y de tiempo, como se explica en el citado recuadro. Aun cuando dichos niveles pueden ser muy dispares entre sí en cuanto a las dimensiones de espacio y tiempo en las que operan, están profundamente relacionados y tienen entre ellos una continuidad física que describiremos enseguida (véase recuadro 'La autoorganización espacio-temporal' y la Fig. 3).

FIG 3
ESTRUCTURAS AUTOORGANIZADAAS EN BANDAS DE ACTIVIDAD FOTOSINTETICA EN UNA SUSPENSION HOMOGENEA DE MEMBRANAS. LAS IMAGENES CORRESPONDEN A ESTRUCTURAS OBSERVADAS EN UN TUBO DE ENSAYO Y HAN SIDO FOTOGRAFIADAS CON INTERVALOS DE 5 MINUTOS. COMENZANDO CON LA PRIMERA A LA IZQUIERDA AL INICIO DE LA ILUMINACION.