13. Los microscopistas | 🧬 Genética clásica | Joseleg

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Austria, la patria de Mendel, no era el centro de la investigación biológica en el siglo XIX, pues tal título era rivalizado por Inglaterra y algunos estados germánicos, especialmente la belicosa Prusia. Durante este siglo los principales avances en la biología se dieron en los campos de la geología, paleontología y proposición de la primera teoría de la evolución, lo cual nos lleva a Charles Darwin (Kutschera & Niklas, 2004) y los ingleses; la aparición de la bioquímica y microbiología por medio de los estudios de Pasteur , lo cual nos lleva principalmente a Francia (Löwy, 1994); el último campo es el de la fisiología celular y los microscopistas, lo cual nos lleva a los alemanes (Pickstone, 1973).

Resulta más que evidente que los trabajos de los microscopistas, los microbiólogos y los naturalistas convergerían con el trabajo de Mendel, sin embargo, esta unión no se produjo nunca en el siglo XIX. La unión a la que hacemos referencia adquiriría el nombre de la Teoría Sintética de la Evolución (Kutschera & Niklas, 2004). En consecuencia, las líneas de pensamiento en el siglo XIX permanecen un poco separadas. A continuación, realizaremos un breve sondeo del estado de la biología celular en el siglo XIX y su asociación a los reinos germánicos.

Europa en el siglo XIX un breve resumen

El evento que forjó la historia del siglo XIX en Europa fueron las guerras napoleónicas. Cuando Napoleón fue derrotado las naciones contra las que se enfrentó terminaron todas en un estado de guerra fría de todos contra todos. Este conflicto no era únicamente militar, también era cultural, de orgullo, y por lo tanto transferido a otras esferas de la vida pública como la academia y las ciencias (Bernal, 1953; Crosland, 1977; Olesko, 2006). En esta época se pueden citar por lo menos 4 grandes potencias:

👉 El imperio británico que reforzó su poderío marítimo:

👉 Las naciones de habla alemana, dos de ellas particularmente fuertes, Prusia y Austria. Aunque ambas intentaron crear un super-estado germánico, nunca se logró. Aunque Austria tenía un mayor prestigio histórico, Prusia era más poderosa militarmente.

👉 Finalmente, Prusia quien afianzó sus dominios en el oriente.

El centro de investigación más fuerte en términos de biología en Europa durante el siglo XIX fue Prusia en cuanto al desarrollo de instrumentos como microscopios, sin embargo las dos ideas más revolucionarias no surgirían allí: la “Selección Natural” fue propuesta por dos naturalistas del Imperio británico (Kutschera & Niklas, 2004), mientras que la matemática de los patrones de herencia discontinuos fue propuesta en el Imperio Austro-Húngaro por un sacerdote bastante humilde (Stubbe, 1972). A pesar de ello Prusia la cual posterior al año de 1871 será conocido como Estado Alemán formaría a muchos de los biólogos más importantes del siglo XIX.

Figura 13‑1. Eduard Strasburger (A), Walther Flemming (B), Heinrich von Waldeyer (C) y el belga Edouard Van Beneden (D).

La biología del segundo Reich Alemán

Durante la mayor parte del siglo XIX Alemania no existía como tal, en su lugar existían una serie de reinos y principados beligerantes entre sí. Posteriormente en 1871 gracias a las hábiles maniobras del primer ministro de uno de dichos reinos llamado Prusia, los reinos combatientes pactaron la unificación en el segundo imperio Alemán (Pflanze, 2014). A pesar de las turbulencias políticas la academia de Prusia y Alemania floreció durante este periodo de tiempo, entre los años de 1860 y 1910 se desarrolló una de las subteorias más importantes dentro de la biología, la cual refutaba las afirmaciones originales de Darwin, pero que al mismo tiempo las reconstruyó en un cuerpo nuevo de conocimiento, a lo cual se conoce como la segunda teoría evolutiva o también llamado neo-Darwinismo (Kutschera & Niklas, 2004).

Las anomalías “si empleamos la terminología de Kuhn” (Kuhn, 1970) que empezaron a descubrirse se relacionaban especialmente con la descripción de los mecanismos de reproducción celular, es decir la mitosis y meiosis que ya hemos estudiado. Todos los descubrimientos en esta área fueron realizados por pruso-alemaes y un belga colado.

Figura 13‑2. Oscar Hertwig y August Weismann.

Eduard Strasburger, Walther Flemming, Heinrich von Waldeyer y el belga Edouard Van Beneden fundaron las bases de la citología y la citogénesis del siglo XIX, pero paradójicamente son muy poco conocidos (Barnett & Robinow, 2002; Cherif, Roze, & Movahedzadeh, n.d.; Cremer & Cremer, 1988; Zacharias, 2001), lo cual nos recuerda que quienes proponen las grandes teorías son más fácilmente recordados que quienes se encargan del trabajo “sucio” de la ciencia, recolectar los datos individuales básicos.

Strasburger “1844-1912” uno de los más importantes fisiólogos botánicos “estudia cómo funcionan las plantas” acuñó los términos nucleoplasma y citoplasma para señalar a la parte al interior de las membranas nuclear y celular respectivamente. Van Beneden “1846-1910” descubrió como los cromosomas se combinaban durante la meiosis, durante la producción de los gametos, también identificó y nombro la cromatina. Walther Flemming “1843-1905” fundó los estudios en citogenética y acuñó el término mitosis (Barnett & Robinow, 2002; Cherif et al., n.d.; Cremer & Cremer, 1988; Zacharias, 2001). Los descubrimientos de la mitosis y la meiosis se cuentan entre los 100 descubrimientos científicos más importantes de todos los tiempos, y es uno de los 10 más importantes de la biología celular.

La meiosis fue descubierta y descrita por primera vez por otro biólogo pruso-alemán llamado Oscar Hertwig “1849-1922” en 1876 y confirmada posteriormente en 1883 al nivel de los cromosomas por Van Beneden en huevos de áscaris “un gusano parasítico” (Churchill, 1970; Hamoir, 2003). Pero estos descubrimientos solo son procesos relativamente mecánicos, si no se los hila en una teoría que genere consecuencias lógicas y explique fenómenos más allá. El proceso de convertir a la mitosis y la meiosis en las armas para destruir a la primer teoría de la evolución y recrearla de una forma nueva fueron hechas por el biólogo francfortés-alemán August Weismann (Churchill, 1970; Winther, 2001)

La hipótesis de Weissman

La hipótesis de los caracteres adquiridos avanzó desde Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829) y fue aceptada por Darwin (1859, 1872) fue vigorosamente refutada por August Weismann (1834–1914).  Durante la época en que Weismann y otros realizaron los experimentos que desacreditaron la noción de herencia blanda, los genetistas mendelianos habían desarrollado una base firme para explicar la variación entre los individuos en una población tal y como lo requería la teoría de Darwin (Johnston, 1995; Mayr, 1985; Winther, 2001).  Desde 1960 los genetistas moleculares demostraron que los cambios en la composición de pares de bases en el ADN se traducían en cambios en la estructura de las proteínas.  Lo anterior demostró que la noción de Weismann de herencia dura era un hecho irrefutable. El término “Hipótesis de Weismann” ahora se concentra en la proposición explicita de que la reproducción sexual funciona como un proveedor de variación para la selección natural (Kutschera & Niklas, 2004)

A pesar de la importancia adaptativa del sexo (y el cómo el sexo evolucionó) ha permanecido como un área de considerable debate debido al costo del 50% en la aptitud, lo que en teoría debería favorecer a la reproducción asexual (Kutschera & Niklas, 2004).  Nótese que, durante la reproducción sexual, cada progenitor solo le hereda el 50% de su genoma a su descendencia. El resultado de la vacación genómica introducido de esta forma puede conllevar a la aparición de individuos mal adaptados.  En contraste, la reproducción asexual, asegura que los nuevos individuos están adaptados como sus padres al ambiente, lo que conllevaría a que cada miembro de la población generase clones de sí mismo.  Por lo cual la pregunta del millón es ¿Por qué es tan común entre los eucariontes, la reproducción sexual? De acuerdo con Mayr el dilema de la perdida de la aptitud en un 50% debido a la reproducción sexual se puede resolver si consideramos el hecho de que el ambiente al que estaban adaptados los padres cambia a través del tiempo y puede que no sea el mismo que enfrentara la descendencia (Mayr, 1982). 

Niklas señaló que la reproducción sexual y asexual no son mutuamente excluyentes, una combinación de ambas se puede observar en plantas, hongos y un sin fin de organismos eucariontes microscópicos (Niklas, 1997).  La descendencia variable producida por la reproducción sexual puede contener (y debido al número, contiene) algunos individuos mejor adaptados a nuevos ambientes, mientras que la reproducción asexual produce organismos que retienen los caracteres adaptativos para un ambiente estable

De hecho, muchos hongos poseen ambos tipos de reproducción, cuando llegan a un ambiente rico en recursos ellos empiezan a generar una población clonal generada por reproducción asexual, cuando las condiciones del ambiente se hacen menos favorables, los hongos entran en un estado que induce la generación de gametos y estructuras secundarias que sirven para dispersar a largas distancias los cigotos producidos por la reproducción sexual. Esta estrategia no es única de los hongos, y la reproducción sexual siempre emerge como un fenómeno de emergencia, cuando las condiciones del ambiente se ponen poco favorables (Carlile, Watkinson, & Gooday, 2001).

Hamilton, Axelrod, y Tanese (1990) propusieron que la variabilidad genética que la reproducción sexual provee ayuda a las plantas, animales, hongos entre otros a lidiar contra parásitos y enfermedades.  En la carrera armamentista evolutiva, los organismos patogénicos pueden crecer y adaptarse rápidamente debido a su gran número y corto ciclo de vida, lo que les permite evadir las defensas del organismo huésped. Rice y Chippindale (2001) han mostrado evidencia de que la reproducción sexual es ventajosa debido a que acelera la evolución genotípica sin el riesgo de la mutación aleatoria que puede generar tanto alelos ventajosos como perjudiciales (Chippindale & Rice, 2001; W R Rice & Chippindale, 2001; William R Rice & Chippindale, 2001). Todas estas ideas y experimentos soportan el concepto original de Weismann de que la reproducción sexual produce una progenie variable lo que promueve la evolución adaptativa. El problema seguía siendo encontrar la naturaleza básica de la herencia, sin embargo, su asociación directa a los cromosomas solo se hizo patente hasta que el mendelismo de popularizó.

El descubrimiento de los cromosomas

 Todo estudio sobre la reproducción celular hace referencia de manera inevitable a los cromosomas, sin embargo, resulta un poco extraño realizar tantas referencias a ellos sin indagar sobre la historia de su descubrimiento, o de manera más específica, que ocurre con su contenido genético durante la primera etapa de la meiosis. Nuestra introducción a este problema inicia a mediados del siglo XIX cuando C Correns y otros construyeron el mendelismo cerca de la existencia de factores discretos que determinan la morfología de los seres vivos. Basados en lo anterior debemos recordar dos cosas:

👉 a nadie le interesó su trabajo por casi 34 años

👉 la propuesta de Mendeliana era completamente teórica.

El modelo Mendeliano permitía explicar fenómenos, pero no proveía evidencia experimental de la ubicación física de estos factores hereditarios. En otras palabras, los trabajos de los Mendelianos están desligados de manera absoluta a la naturaleza física de los genes. Entre los años entre la propuesta de Mendel y su redescubrimiento, un periodo de tiempo aproximado de 50 años varios biólogos especialmente pruso-alemanes se involucraron en la indagación de la naturaleza física del material hereditario.

Durante la década de 1880 varios biólogos europeos estaban siguiendo las actividades del desarrollo experimental, especialmente en lo concerniente al desarrollo de nuevos instrumentos. Esta tendencia fue desarrollada de manera más marcada en el continente, especialmente en Francia y el recién formado estado alemán. En lo que concierne a la biología el desarrollo de instrumentos se centró en los microscopios ópticos, que fueran capaces de obtener mayor resolución reduciendo el número de artefactos “machas debidas a imperfecciones del manejo de la luz y las lentes”. Estos nuevos instrumentos permitieron discernir nuevas estructuras celulares, así se pudieron distinguir eventos al interior de las células, en otras palabras, las primeras evidencias del ciclo celular. No es que los trabajos de Mendel fueran despreciados por todo el mundo, tal vez fuera el hecho de que no tuvieron el impacto necesario. En cuanto a impacto nos referimos a la cantidad de veces que el trabajo de un autor es citado por otros.

Figura 13‑3. Los dibujos de W. Flemming con respecto a la mitosis muestran el grado de perfeccionamiento de los microscopios del siglo XIX y el nivel exquisito de detalles en las observaciones realizadas en esta época.

Ninguno de los biólogos que trabajaban en microscopia tuvo acceso a los trabajos de Mendel, pero aun así entendía que cualquier cosa que gobernara las características hereditarias debía pasarse de una célula a otra de generación en generación. Esta conclusión por sí misma es una idea crucial: toda la información genética necesaria para construir y mantener una planta o animal complejos tienen que caber en el interior de las fronteras de una sola célula. Aquí ingresa Walter Flemming uno de los más grandes biólogos celulares, fue quien acuñó la palabra cromatina y mitosis. Al igual que otros biólogos que estudiaron la citología Flemming era prusiano “sirvió como médico en la guerra franco-prusiana”.

El hecho de que todos estos citólogos sean pruso-alemanes no es coincidencia debido a que la ciencia continental tuvo un enfoque empirista-instrumentalista más marcado que el de Inglaterra durante la misma época, y la citología es algo que solo puede investigarse con instrumentos. En los primeros años de la década de 1880 Walter Flemming  revelaron que los contenidos citoplasmáticos eran repartidos de una célula a otra al azar dependiendo del plano de división de la célula. En contraste las células parecían embarcarse en muchos problemas para dividir sus contenidos nucleares de manera altamente organizada. Durante las divisiones celulares el material que se condesaba al interior del núcleo se hacía altamente organizado en fibras visibles, las cuales fueron denominadas cromosomas, que significa cuerpos color.

Primeras observaciones de la fertilización manipulada

 Durante el periodo de tiempo de las investigaciones celulares “segunda mitad del siglo XIX” el proceso de fertilización fue observado y descrito por dos biólogos llamados T. Boveri y J. Zeit en 1888. A pesar de que la célula espermática es particularmente pequeña rápidamente se descubrió que era igual de importante en términos genéticos al mucho más grande óvulo. ¿Qué es lo que estas dos células tienen en común?, la característica más evidente es la del núcleo y los cromosomas. 

Figura 13‑4. Theorore Boveri, embriólogo alemán. Junto con Wilhelm Roux y Hans Driesch es considerado uno de los grandes fundadores de la embriología experimental.

La importancia de los cromosomas que son aportados por el gameto masculino se hizo evidente por estudios posteriores realizados nuevamente por Theorore Boveri en huevos de erizo de mar. Estos estudios también involucran unos de los primeros procedimientos de fertilización artificial. La manipulación en este caso involucró la fertilización de un solo óvulo por dos espermatozoides en lugar de solo uno como sería normalmente el caso.

Esta condición denominada poliespermia se caracteriza por divisiones celulares abortivas que condicen a la muerte temprana del embrión en formación. La pregunta en su contexto fue ¿Por qué la presencia de una célula tan pequeña en comparación con un óvulo mucho más grande tiene consecuencias tan drásticas? El Segundo espermatozoide dona un juego extra de cromosomas en estado haploide, generando una célula en estado (3n) junto con un centriolo extra. Estos componentes adicionales conllevan a divisiones celulares anormales en el embrión durante la división celular. Lo anterior conlleva a que las células hijas reciban cantidades variables de cromosomas, lo cual conlleva a su muerte por falta o exceso de ciertos componentes celulares producidos de manera anormal.

Boveri y su grupo de investigación concluyeron que el proceso de desarrollo normal era dependiente de una combinación particular de cromosomas; y esto solo puede significar que los cromosomas individuales debían poseer cualidades hereditarias que alteran la función celular. Esta fue la primera evidencia de una diferencia cualitativa entre los cromosomas y otros componentes celulares.

Primeros modelos biológicos en la biología celular

A parte del erizo de mar, otro organismo modelo que fue ampliamente empleado por los microscopios disponibles en el siglo XIX fue el de los gusanos parasíticos nematodos del género Ascaris. Los gametos de áscaris se caracterizan por tener pocos cromosomas (n=2; 2n=4) que son grandes y fáciles de observar. Estas características son ideales para microscopios con baja resolución como los disponibles en el siglo XIX o en los cursos de introducción a la biología en muchas universidades modernas. En 1883 el biólogo belga Edouard van Beneden se dio cuenta de que las células de estos gusanos poseen cuatro cromosomas, pero que en los gametos masculino y femenino solo se detectaba la presencia de dos cromosomas justo antes de la fertilización.

Pocos años después el proceso de la meiosis fue descrito y finalmente el 1887 el biólogo pruso-alemán August Weismann concluyó que durante la meiosis existía un evento que reducía a la mitad la cantidad de cromosomas presentes en los gametos en formación. Si la fase de reducción no ocurriera, con cada generación la cantidad de cromosomas de la especie se duplicaría, evento que no ocurre “al menos no con frecuencia”.

Todos pasan por alto a Mendel en el siglo XIX

El hecho de que su trabajo fuera incinerado por el sucesor en la abadía nos da ya una idea de lo que le sucedió a Mendel. El impacto de una genética reduccionista e internalista no se dio por casi 34 años en los que, si bien su trabajo estuvo al acceso de las comunidades científicas, este fue ignorado. Posiblemente la genética reduccionista no podía explicar muchos otros casos de variabilidad en otras especies de plantas, animales y en el hombre; las cuales mostraban claros patrones de herencia continua, para los cuales la herencia mendeliana es inútil. Es por esto que el trabajo de Mendel publicado en 1866 en un libro llamado “Experimentos en hibridación de plantas: Versuche über Pflanzen-Hybriden” escrito en alemán (Mendel, 1866, 1996); no fue tenido en cuenta para los programas de investigación en genética más holista que buscaba encontrar explicaciones para la herencia continua.

El trabajo de Mendel solo comenzó a tomarse en serio 34 años después por sus tres redescubridores más notables: Carl Correns, Hugo de Vries y Eric von Tschermak. Este redescubrimiento coindice con el cambio de siglo y una nueva actitud hacia la biología mucho más enfocada hacia las matemáticas duras. Una vez redescubierto Mendel, la genética postmendeliana dio inicio con varios objetivos en mente (Harwood, 2000; Moore, 2001; Stubbe, 1972).

👉 Expandir las leyes reduccionistas de la genética clásica para explicar otros patrones de herencia; especialmente la herencia continua.

👉 Encontrar la naturaleza física de los factores mendelianos, hasta entonces meros artefactos de la imaginación matemática para explicar fenotipos.

👉 Crear un nuevo vocabulario para distinguir los fenómenos genéticos y su base celular.

La búsqueda de la naturaleza física de los factores mendelianos

El redescubrimiento de las leyes de la genética clásica y su confirmación triple influyó notablemente en la investigación sobre la biología celular a partir de la primera década del siglo XX. Este aspecto de la historia es muy importante ya que iría en contra de la concepción de ciencia popularizada por el circulo de Viena cerca del mismo periodo de tiempo, donde se proponía que la ciencia procedía de forma acumulativa e inductiva, de los datos a la teoría. Para el caso de Mendel, las observaciones que el realizó conllevaron a una construcción teórica que presuponía de estructuras al interior de los seres vivos que no podían ser observadas de manera directa, es decir la ubicación física y química de sus factores hereditarios, es decir los genes. En la primera década, del silo XX las leyes mendelianas se convirtieron en la guía teórica a la cual debía atenerse la investigación sobre la naturaleza física de los genes, es decir cualquiera que fuera la unidad hereditaria estas deberían comportarse físicamente en base a las leyes mendelianas.