Campos de estudio y aplicación de la Biología

La invención del microscopio implicó el inicio de una gran cantidad de investigaciones referentes a las estructuras que no podían verse a simple vista en organismos muy pequeños. En este apartado estudiaremos cómo los nuevos descubrimientos de las estructuras microscópicas y la invención de nuevas técnicas de observación y estudio implicaron la creación de nuevas áreas y campos de investigación y cómo es que ha cambiado el modo en que ordenamos los conocimientos en biología.

Microscopio diseñado por Anton
von Leeuwenhoek.

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) fue un comerciante y científico neerlandés mejor conocido por ser el pionero en el estudio de las estructuras microscópicas. Cuando cumplió dieciséis años, su padrastro falleció y fue enviado por su madre a estudiar para convertirse en un comerciante de telas. Fue en ese ambiente que en 1653 observó su primer microscopio simple, que era una lupa montada en un soporte que permitía a los comerciantes textiles observar la calidad del tejido y el tipo de hilos que aumentaba tres veces lo que se colocaba debajo. Esta misma lupa la adquirió Leeuwenhoek y la utilizaba en su tiempo libre para observar cuanto podía.Tras estudiar cómo era posible el aumento, perfeccionó la lupa mediante el soplado y pulido de vidrio para conseguir un instrumento que permitía observar mucho mejor las telas. En el desarrollo de estos nuevos aparatos diseñó el primer microscopio de potencia visual considerable y comenzó a fabricar más y mejores. Los microscopios que diseñaba consistían de dos lentes biconvexas montadas sobre láminas de latón que se sostenían frente a los ojos a manera de anteojos. Frente a ellos había una cabeza de alfiler sobre la que se colocaban los objetos a observar y era posible obtener una potencia de hasta 200 aumentos (el más potente que aún se conserva permite un aumento de 275 aumentos), por mucho más potente que cualquier otro aparato de la época.
El estudio científico de los seres vivos formaba parte de lo que se consideraba como la historia natural, de la que existían varias ramas, todas ellas fundadas desde la Edad Media y establecidas durante la Ilustración: la fisiología, que estudiaba los procesos que permitían la vida (como la alimentación, la reproducción, la respiración o la circulación) y que incluía a la medicina, la zoología, que era el estudio de los animales, la botánica, que era el estudio de los seres inmóviles, como las plantas y los hongos, la geología, que estudiaba los minerales, las rocas y demás aspectos de la Tierra, y la paleontología, que estudiaba a los fósiles.Contemporáneo a los estudios de ocio de Leeuwenhoek, se encontraba otro científico neerlandés, Reinier de Graaf (1641-1673), quien se especializó en los estudios anatómicos y médicos del aparato reproductivo. Al igual que otros fisiólogos, su trabajo descriptivo estaba limitado por las capacidades tecnológicas de observación. Sus estudios habían permitido entender la estructura de los túbulos seminíferos en los testículos, los conductos deferentes, el cuerpo lúteo (denominado en su honor cuerpo de Graaf) y las trompas de Falopio; pero no viviría el tiempo suficiente para maravillarse con los hallazgos posteriores gracias al microscopio. El mismo año de su muerte, en 1673, de Graaf presentó a la Sociedad Real de Londres las láminas que Leeuwenhoek había obtenido sobre la estructura del moho y el aguijón de las abejas gracias a sus potentes microscopios. La fascinación por el nuevo mundo que Leeuwenhoek ofrecía a los científicos generó que durante los siguientes 40 años mandara cartas a la Sociedad con sus descubrimientos, de la que fue nombrado miembro en 1680. La correspondencia fue constante hasta el año de su muerte.Desgraciadamente, Leeuwenhoek nunca publicó cómo elaboraba sus microscopios, por lo que la microscopía debió esperar varias décadas para que los nuevos científicos obtuvieran microscopios con potencia semejante.En 1674, Leeuwenhoek descubrió que dentro de una gota de agua obtenida de una charca cercana al lago Delft, en Países Bajos, había una gran cantidad de seres microscópicos que se movían y reproducían. Antes de maravillarse, los científicos de la época se mostraron escépticos ante la posibilidad de este descubrimiento, por lo que Leeuwenhoek enviaba pruebas, microscopios, junto con los testimonios de ocho personas de profesiones pastores, juristas y médicos que juraban haber visto las criaturas en el microscopio. Posteriormente, las observaciones son repetidas por el científico inglés Robert Hooke, quien en 1677 realiza la primera descripción de uno de estos microorganismos a los que denomina como animálculos. Surge así el vasto campo de la microbiología. Dado que los primeros organismos que se observaron y describieron sistemáticamente fueron protozoarios, se alude actualmente que la primera ciencia fundada de esa rama fue la protozoología.En 1677, Leeuwenhoek observó por vez primera animálculos dentro del semen. A pesar de la precisión con la que realizaba sus descripciones, en el caso de su observación de los espermatozoides aseguró haber discernido la forma humana en estos microorganismos. Esto llevó a Leeuwenhoek a suponer que la semilla que permitía la reproducción de los mamíferos estaba contenido en los testículos y no en los ovarios. En la época de Leeuwenhoek existía lo que se conoce como teoría ovista, que sostenía que las estructuras como el cuerpo de Graaf eran las que albergaban el potencial para dar la vida, ideas sostenidas por William Harvey y Reinier de Graaf; sin embargo, las aparentes observaciones de Leeuwenhoek, así como las posteriores confirmaciones que afirmaron que dentro del esperma existían homúnculos preformados, sugerían que era el espermatozoide el que permitía originar la vida humana: surge así la teoría espermista.Las observaciones al microscopio parecían confirmar que, al parecer, también existía otra teoría que no explicaba el comportamiento de los microorganismos: la generación espontánea. Durante la Edad Media se asentó la idea de que ciertas formas de vida “inferiores” se generaban espontáneamente a partir de la mugre, la suciedad o la descomposición, pero nuevos estudios en animales como los insectos (entomología), sugerían que la situación era más complicada.Uno de los adelantos en esta concepción de la generación espontánea se dio gracias a los trabajos del zoólogo neerlandés Jan Swammerdam (1637-1680), quien se dedicó al estudio de la vida de los insectos, y cuyas obra más famosa fueron Historia de los animales que carecen de sangre, donde detalla disecciones y los hábitos de varios insectos, y Libro de los insectos, donde estableció que el ciclo de vida de los insectos era similar a la metamorfosis que sucedía en las ranas. Estas observaciones las realizó Swammerdam con microscopios construidos por él mismo.Mientras tanto, en Italia, el médico y fisiólogo italiano Francesco Redi (1626-1697) centró su atención en los ciclos de vida de los parásitos. El experimento por el que Redi se hizo famoso fue con el que demostró que los insectos que se formaban en la carne en descomposición provenían en realidad de otros insectos que se reproducían sobre la carne. Para esto realizó un experimento donde colocó trozos de carne en tres frascos iguales: uno contenía carne expuesta al aire libre, otro contenía carne y estaba tapado por corcho, y el tercero tapado con tela firmemente atada.

Estudio del ciclo de vida de una mosca realizado
por Francesco Redi.

La hipótesis de Redi era que en los tres casos se desarrollarían insectos, probando que la generación espontánea existía. Sin embargo, solamente el primer frasco, el expuesto a la intemperie, desarrolló moscas, por lo que la teoría de la generación espontánea se desechaba. Para asegurarse de que no había una variable escondida, como la ausencia de aire requerida para que los insectos que pudieran emerger de la carne respiraran. Así que repitió el experimento usando tela de mosquitero, lo que permitía que la carne estuviera bien ventilada. En esta ocasión, el olor del trozo de carne y pescado atraía a los insectos, pero como eran incapaces de depositar sus huevos sobre la carne, lo hacían sobre lo más accesible: la malla del mosquitero. Si bien esto refutaba la teoría de la generación espontánea, la presión social y eclesiástica le hicieron admitir que en algunos casos era posible… eso sí, en Europa se pudieron desarrollar mecanismos para combatir la generación de parásitos en la carne. Por sus estudios con larvas de insectos y otros “gusanos”, se considera a Redi como el fundador de la helmintología, una rama de la zoología que estudia a todos los “gusanos” que tienen estilos de vida parasíticos[1]. Redi publicó sus hallazgos en 1684, en su libro Experimentos acerca de la generación de los insectos, donde declaró que «todo lo vivo procede de un huevo, y este de lo vivo.»

Experimento de Redi representado con frascos de mayonesa.
Por Daniele Pugliesi, 2008. CC BY-SA 3.0

Volviendo con Leeuwenhek, en 1670 se dedicó a disecar piojos esperando entender el fenómeno de la generación espontánea. Sin embargo, al realizar observaciones al microscopio descubre que dentro de las hembras de estos insectos había huevos que albergaban a las crías. Utilizando como referente los trabajos de Swammerdam, Leeuwenhoek se avoca a estudiar las pulgas, donde observa huevos, pero no larvas dentro de ellos a pesar de las observaciones de Swammerdam. En 1679 se interesó en otro gusano, uno que infestaba el hígado de cordero (Fasciola hepatica), pero no fue capaz de dilucidar el ciclo complejo de vida del animal, tarea que tampoco Redi lograría finalizar. Los hallazgos de Redi, Swammerdam y Leeuwenhoek derrumbarían la idea de la generación espontánea con los insectos, pero ciertamente no había evidencias de que los otros animálculos no se generaran espontáneamente.Finalmente, Leeuwenhoek comenzó a describir la estructura fina y microscópica de otras estructuras: los glóbulos rojos de diversos animales incluyendo al ser humano, el riego sanguíneo de la cola de los renacuajos y de las patas de las ranas, así como la irrigación de las alas de los murciélagos, la estructura de las plumas de varias especies de ave, los pelos y piel del oso y las escamas de varios peces, la estructura de las hojas y de la madera de diversos árboles, así como la relación entre su estructura y su sabor. Por esta gran diversidad de estudios se considera a Leeuwenhoek el fundador de la histología, la ciencia que se dedica estudiar los tejidos, su estructura y su función.La biología modernaDado que el presente trabajo pretende utilizar el eje histórico como el rector de todos los contenidos, no continuaremos abordando el origen de las diversas ramas de la biología por ahora. Por el contrario, organizaremos los campos actuales de la biología moderna entendiendo que su origen está ligado al contexto social y tecnológico que permitió desarrollarlas. Podemos decir que la biología se organiza actualmente en función de los niveles de organización que abarcan, por lo que usaremos ese esquema para definir las principales y más generales ramas de la biología en la actualidad.

Nivel de organizaciónCampo generalDisciplinas importantes

BiomoléculasBiología molecularBioquímica: estudia las propiedades y características químicas de las diversas biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), así como las condiciones que permiten las reacciones químicas entre ellas.

Genética: estudia los mecanismos de la herencia, ligados a los genes, que son las unidades de información en que se organiza el ácido desoxirribonucleico (ADN).

Proteómica: estudia la estructura y función de las diversas proteínas en un organismo, así como los procesos de transcripción a partir del ácido ribonucleico (ARN).

Metabolómica: estudia las diversas reacciones químicas que permiten el desarrollo de las diversas funciones de los seres vivos y la obtención de energía (lo que se conoce como metabolismo).

Epigenética: estudia los mecanismos de herencia que involucran el encendido y apagado de los genes sin que medie el ADN.

CélulasBiología celular (Citología)Biología celular: lo que anteriormente se denominaba citología. Actualmente cada organelo celular requiere de su propia área de especialización. Asimismo, se pueden mencionar áreas que estudias la interacción entre los diversos organelos celulares.

Microbiología celular: se refiere al estudio general de los organismos compuestos de una sola célula. La bacteriología estudia a las células que carecen de núcleo; la protozoología estudia las células que poseen núcleo, flagelos y no realizan fotosíntesis (protozoos); la ficología estudia las células que poseen núcleo y que realizan fotosíntesis (algas); la micología estudia las células que poseen núcleo y carecen de flagelos (hongos).

Fisiología celular: estudia los procesos biológicos que permiten a las células cumplir sus funciones, que se relacionan con el intercambio de materia y energía con el medio que las rodea.

TejidosHistologíaHistología: estudia la organización de las células en tejidos, que son grupos celulares especializados solamente en una función (o grupo de funciones) y que dependen de otros tejidos. Solamente los animales y las plantas poseen tejidos, por lo que tenemos dos ramas en esta disciplina: histología animal e histología vegetal.Histofisiología: estudia el modo en que un tejido realiza sus funciones.

ÓrganosFisiologíaFisiología: estudia la organización de las funciones dentro de un organismo pluricelular. Estas funciones se organizan en órganos, que se interconectan para transmitir materia, energía e información entre ellos. Cada proceso se encuentra organizado en los órganos que participan, como la digestión animal (fisiología de la digestión) o la transpiración vegetal (fisiología de la evapotranspiración).

Biología del desarrollo (Embriología): estudia los principios fisiológicos que gobiernan el desarrollo de los organismos.

OrganismosSistemáticaBacteriología: estudia la clasificación de los organismos unicelulares carentes de núcleo (arqueas y bacterias).

Protozoología: estudia la clasificación de los organismos unicelulares con núcleo sin cloroplastos (protozoos).

Ficología: estudia la clasificación de los organismos unicelulares con núcleo con cloroplastos (algas).

Micología: estudia la clasificación de los hongos.

Fitología: estudia la clasificación de las plantas.

Zoología: estudia la clasificación de los animales.

PoblaciónEcologíaEcología de poblaciones (demoecología o ecología demográfica): estudia las poblaciones, que se definen como agrupaciones de organismos de la misma especie que ocupan un lugar común determinado en un mismo tiempo.

Genética de poblaciones: estudia el modo en que los genes varían dentro de una población y cómo cambia la proporción de cada uno de los genes. Esta área estudia   fenómenos como la mutación, la migración, la selección natural y la deriva genética.

Autoecología: estudia el modo en que una especie se encuentra adaptada a su ambiente.

ComunidadEcología de comunidades: estudia las comunidades, que son grupos de poblaciones que viven en un lugar común en un mismo tiempo (hábitat) y que contiene las características mínimas para permitir la supervivencia de una especie.

Sinecología: estudia y analiza las relaciones entre los individuos pertenecientes a diversas especies de un grupo y su medio.

EcosistemaSinecología: estudia también las relaciones entre las comunidades dentro de un ecosistema.

Ecología de la conservación: estudia las causas de la pérdida de diversidad biológica en todos sus niveles (genética, individual, específica, ecosistémica) y de cómo minimizar esta pérdida.

El objetivo último de la biología es entender cómo evoluciona la vida, por lo que en cada uno de los niveles de organización y de las disciplinas de la biología se tiene como trasfondo a la evolución, que organiza todos los conocimientos biológicos.En cuanto al alcance de este libro, abordaremos los principios básicos que permitirán entender desde el nivel de organización biomolecular hasta el organísmico, dejando los últimos tres niveles para la asignatura de Geografía y Ambiente.Otra forma de organizar los diferentes campos involucra la consideración del tiempo, es decir, de la historia de la vida en la Tierra, que utiliza herramientas de las Ciencias de la Tierra (o Geociencias) para entender las condiciones a las que estuvo expuesta la vida en el pasado. De este modo, tenemos las ramas históricas de la biología que también abordaremos:Finalmente, otra manera de organizar el conocimiento biológico involucra la selección de un proceso o entidad biológica y clasificar lo que se pretende estudiar de ella. Por ejemplo, si quisiéramos organizar el conocimiento fisiológico, tendríamos el siguiente arreglo:
En este arreglo, los niveles de organización y la temporalidad se mezclan en cada uno de los organismos y áreas en los que puede aplicarse la fisiología ¿Cómo podría organizarse el conocimiento zoológico o el ecológico?En cuanto a los campos de aplicación, estos se refieren al modo en que se aplican los conocimientos biológicos obtenidos de la investigación básica hacia la resolución de problemas específicos de la humanidad. Así es posible nombrar aplicaciones en prácticamente todas las áreas de la biología.Las principales áreas de interés de todos los campos aplicados de la biología son la agricultura y la ganadería. Ambas actividades se relacionan con la domesticación y cultivo (o cría) de seres vivos para abastecernos con materias primas como alimento, textiles e incluso combustibles; de ese modo, entender la biología de ciertos grupos de organismos para garantizar su supervivencia y crecimiento tiene preferencia sobre la de otros. La fisiología vegetal aplicada, por ejemplo, permitiría ayudar cómo lograr que los suelos contengan los requerimientos necesarios para garantizar la reproducción de una especie de planta de interés.Por ejemplo, dentro de la zoología tenemos diversas ramas en función de los organismos que estudian. Una de esas ramas es la malacología, que estudia a los moluscos. Los moluscos son animales de cuerpo blando dividido en tres segmentos: la cabeza, el pie y la masa visceral. A este grupo pertenecen los caracoles, las almejas, los pulpos, los calamares, las babosas y los nautilos. La parte aplicada de la malacología permite utilizar los conocimientos adquiridos sobre la biología de estos animales para poderlos reproducir bajo ciertas condiciones, evitar que enfermen o que sean atacados por depredadores. Los dos cultivos malacológicos más importantes son la helicicultura (de caracoles) y la mitilicultura (de mejillones).Otra rama de la zoología es la carcinología, una ciencia que se especializa en estudiar a los crustáceos, que son artrópodos caracterizados por poseer un cuerpo recubierto por un grueso exoesqueleto, como los cangrejos, los camarones, las langostas, los bogavantes y las cochinillas. Ejemplos de ramas aplicadas de la carcinología son la astacicultura (cultivo de cangrejos de río) y la camaronicultura.En aspectos más generales, la producción de organismos genéticamente modificados, así como el desarrollo de terapias génicas, forman parte de lo que se conoce como biotecnología, área que abordaremos brevemente más adelante. Así como el aspecto histórico es el que ordenará los capítulos de este libro, la parte aplicada de la biología se mencionará en las secciones relevantes de ahora en adelante, sin que haya para ello una sección específica.
Campos de estudio y aplicación de la Biología por Omar Rafael Regalado Fernandez se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivar 4.0 Internacional. Las imágenes de este apartado se encuentran bajo dominio público a excepción de que se indique lo contrario.

Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden encontrarse en https://creativecommons.org/.