Biomimética o cómo resolver mejor problemas

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En este vídeo Janine Benyus nos muestra una nueva forma de crear cosas, construir objetos, materiales, edificios. Diseñar inspirándonos en la función de las cosas, sabiendo que la naturaleza esconde soluciones apasionantes, para conseguir innovación sostenible. La Biomimética es una nueva disciplina del diseño que busca soluciones sostenibles emulando las testeadas por la naturaleza a lo largo de la evolución.

En el vídeo nos dice:

“Lo que está pasando ahora, en este campo llamado biomimética, es que la gente vuelve a recordar que otros organismos, el resto de la naturaleza, están haciendo cosas muy similares a las que nosotros necesitamos hacer. Pero el hecho es que lo están haciendo de una manera que les ha permitido vivir con elegancia en este planeta durante millones de años. Así que los biomiméticos, son aprendizes de la naturaleza.”

Os recomiendo este vídeo porque creo que es necesario que incorporemos a nuestra concepción de la industria y el diseño, la idea de que todo aquello que creamos y que usamos, debe ser útil y bello, pero además sostenible.

Janine Benyus en su último proyecto AskNature intenta reunir por un lado a Diseñadores, Arquitectos e Ingenieros y por otro a Biólogos y expertos en la naturaleza. Una red social para unir el conocimiento de diferentes expertos, en el diseño de mejores respuestas a los problemas. Es un proyecto OpenSource (de código abierto), muy interesante.

Espero que os haya gustado el vídeo de esta semana. Hasta la próxima.

La estructura de El origen de las especies

La estructura de El origen de las especies
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Como esto es bastante recogido como festival de colegio, sólo nos lee mi madre y los amigos, sabrán disculpar la ausencia, he estado ocupado intentando subsistir.

Dicho esto continuaremos con la segunda entrega de la serie acerca de ‘El Origen de las especies’ y como había anticipado aunque ni yo lo recordara, analizaremos la estructura del libro que fue llamado con gran acierto “the book that shook the world”.

Desde que Darwin publicara su obra maestra, la evolución  ha avanzado notablemente, existe un journal (revista científica internacional) dedicada exclusivamente a esta materia, es parte fundamental de la mayoría de asignaturas que estudia un biólogo, es el argumento central de cualquier museo de historia natural moderno. No sería extraño pensar que después de tanto tiempo Darwin debió equivocarse en sus teorías, más aún si consideramos que muchos de los hechos fundamentales en los que la biología moderna basa su aceptación de la evolución se desconocían en su época. El número de fósiles era pequeño y aquellos que conectan los principales grupos de animales no habían sido descubiertos, como Archaeopteryx entre reptiles y aves, Ichtyostega entre “peces” y anfibios y los reptiles con forma de mamífero. Lo poco que se sabía de genética estaba malinterpretado. El entonces aceptado sistema zoológico de Cuvier reconocía únicamente cuatro tipos “totalmente diferenciados” de animales. Otras ramas de la biología que han hecho grandes aportes como la citología y endocrinología no existían aún y la embriología era muy rudimentaria. A pesar de esto, es asombroso descubrir que Darwin no se equivocaba demasiado en sus postulados.

Darwin se convenció del hecho de la evolución entre 1835 (mientras visitaba Galápagos a bordo del Beagle) y Julio de 1837 cuando empieza su primer libro de notas “acerca de la transmutación de las especies”. Después de más de 20 años de trabajo publicó su obra compuesta de 14 capítulos y 490 páginas. Exponiendo con notable maestría argumentos de todas las ramas de las ciencias naturales, citando innumerables trabajos de científicos de todas partes del mundo.

La variación de animales domésticos y plantas cultivadas (Capítulo I), variación en la naturaleza (Capítulo II), los hechos paleontológicos (Capítulo X), de distribución geográfica (Capítulo XII), y de clasificación, morfología y embriología (Capítulo XIII) constituyen su material principal.

En los días de Darwin la explicación predominante para la diversidad orgánica era, por supuesto, el relato del Génesis, él mismo subscribía a esta antes de embarcarse en el Beagle, viaje que le permitió realizar una serie de observaciones que eran para él incompatibles con la creación. Para que el público pudiera comprender su teoría Darwin intentó transmitir esas observaciones y las expuso en detalle, especialmente tres grupos de ellas:

 

  • que los fósiles de Sudamérica están relacionados con la fauna viviente de ese continente y no con fósiles contemporáneos de cualquier otra parte;
  • que la fauna de las diferentes zonas climáticas de Sudamérica está relacionada entre sí más que con la fauna de la misma zona climática en otros continentes y fundamentalmente
  • que la fauna de las islas (australes y Galápagos) está relacionada con la del continente más cercano y que se observan especies emparentadas en las diferentes islas de un mismo archipiélago.

 

No sólo se opuso al creacionismo sino también a otras hipótesis evolucionistas propuestas antes de ‘el Origen’. Intenta refutar en distintas ocasiones la posibilidad de cambio evolutivo mediante grandes pasos (p. 4, 194), argumentando que estos saltos dificultarían la acción de la selección natural, ya que esto interferiría con la mutua coadaptación de diferentes organismos.

Desde el comienzo del libro hace un esfuerzo especial para refutar que exista efecto directo del ambiente en la evolución de los organismos, la conocida doctrina Lamarckista, según la cual los organismos se van transformando lentamente gracias a la herencia de caracteres adquiridos (por ejemplo pag. 3, 10, 134, 336) . Destaca que las adaptaciones en las castas estériles de insectos sociales no podrían explicarse nunca mediante cualquier tipo de teoría Lamarckista. “Por más ejercicio, o hábito, o deseo, por parte de los miembros estériles de una comunidad nunca podrían afectar la estructura de o el instinto de los miembros fértiles, que dan la descendencia…”(p. 242). Las teorías Lamarckistas perdieron aceptación cuando los genetistas demostraron que las características adquiridas por el fenotipo no se pueden transmitir a la siguiente generación.

También hizo gran énfasis en rechazar cualquier “ley de desarrollo necesario” luego designada como teorías ortogenéticas (Capítulo 10 y p. 351). En este, como en otros casos, los descubrimientos modernos corroboran las ideas de Darwin del carácter azaroso de los cambios evolutivos y no se han encontrado mecanismos que provoquen cambios progresivos consistentes. Las teorías teleológicas sostienen que existe un principio intrínseco de la naturaleza que dirige a todos los linajes evolutivos hacia una perfección cada vez mayor. Las llamadas teorías ortogenéticas, como la nomogénesis de Berg, la aristogénesis de Osborn y el principio omega de Teilhard de Chardin, son ejemplos de teorías teleológicas. (Mayr, 1995).

Y fundamentalmente Darwin expone a lo largo de toda su obra (especialmente el capítulo IV) argumentos a favor de su mayor aporte, el mecanismo mediante el cual evolucionan los organismos, la selección natural (incluso dedica todo el capítulo VI a las dificultades de esta teoría).

El siguiente es un esquema de la explicación que da Darwin de la evolución por selección natural.

El Origen de las especies de Charles Darwin

En el próximo artículo desarrollaremos en mayor detalle la selección natural.

Aclaración: las referencias utilizadas son a la primera edición del libro, muy recomendable esta edición (si no dispone de unos cuantos miles de libras) y las traducciones son propias (sorry about that).

El Origen de un libro que cambió la historia

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  1. No es novedad que estamos en el año de Darwin, ya que nació en 1809 y además publicó su famoso ‘Origen de las especies’ en 1859. Pero debido a la incesante discusión que suscita hasta la actualidad y desde todas las áreas del conocimiento, no suele diferenciarse qué postulaba realmente Darwin.
  1. Generalmente, nadie se avergüenza de aceptar que desconoce absolutamente la teoría de la relatividad especial de Einstein, o el teorema de Gödel, o incluso conceptos básicos conocidos desde hace siglos como la solución a las ecuaciones polinómicas (Babilonias 1700 AC) o la circulación mayor de la sangre (Harvey, 1628). Pero extrañamente, todo el mundo parece conocer la teoría de la evolución. Diría que no hay ninguna teoría científica más polémica, más vapuleada y distorsionada. Y tal vez descubramos que mucho de lo que creemos que es parte de esta teoría, en realidad no lo es y que muchos descubrimientos actuales corroboran las ideas de el Origen. En una serie de artículos intentaré exponer:
  • qué expuso Darwin en el Origen
  • qué dice la actual teoría de la evolución y los aportes desde las diferentes ramas de la biología.

El término evolución se ha aplicado a distintos procesos orgánicos a lo largo de la historia. El primero fue Charles Bonnet en su teoría preformacionista del desarrollo embrionario, pero la biología del desarrollo ya no utiliza la palabra en ese sentido. El término evolución transmutativa (o transmutacionismo) se refiere a la aparición repentina de un nuevo tipo de individuo, producto de una mutación importante o saltación. Ideas saltacionistas han estado presentes desde los griegos e incluso después de Darwin. Otro término es el de evolución transformativa, y se utiliza para definir el cambio gradual de un objeto ya sea animado o inanimado, por ejemplo el desarrollo de un huevo fecundado hasta transformarse en un individuo adulto o el alzamiento de una cordillera debido a las fuerzas tectónicas. La teoría de la evolución de Lamarck, que precedió a la de Darwin, era transformativa, afirmaba que los organismos simples se originaban por generación espontánea y se transformaban en una especie superior y más perfecta. La evolución variativa es el concepto que introduce Darwin en su teoría de la evolución por selección natural.

¿Qué dice básicamente la teoría de la evolución de Darwin?

(Mayr, 1998) Según esta teoría, en cada generación se produce una enorme cantidad de variación genética, pero, entre los numerosos descendientes, sólo unos pocos supervivientes logran reproducirse. Los individuos mejor adaptados al ambiente tienen más posibilidades de sobrevivir y engendrar la siguiente generación. Debido a:

  1. la constante selección (o supervivencia diferencial) de los genotipos más capaces de adaptarse a los cambios del ambiente.
  2. la competencia entre los nuevos genotipos de la población; y
  3. los procesos estocásticos (al azar) que afectan a las frecuencias génicas

Debido a esto, la composición de la población va cambiando continuamente, y a este cambio se lo llama evolución. Dado que todos los cambios tienen lugar en poblaciones formadas por individuos genéticamente únicos, la evolución es necesariamente gradual y continua, y las poblaciones se van reestructurando genéticamente.

¿Qué otras teorías sugiere Darwin?

En el Origen, Darwin formuló cinco teorías acerca de los diferentes aspectos de la evolución variativa:

que los organismos evolucionan constantemente a lo largo del tiempo (teoría de la evolución propiamente dicha)

  1. que diferentes tipos de organismos descienden de un antepasado común (teoría de la ascendencia común)
  2. que las especies se multiplican con el tiempo (teoría de la multiplicación de las especies)
  3. que la evolución se produce por cambio gradual de las poblaciones (teoría del gradualismo)
  4. que el mecanismo de la evolución es la competencia entre un gran número de individuos -todos con características únicas- por unos recursos limitados, lo que da lugar a diferencias en la supervivencia y reproducción (teoría de la selección natural)

Hasta aquí hemos introducido qué dijo Darwin, en el próximo artículo veremos la estructura del Origen y su justificación, es decir el cómo de esta obra que el propio Darwin calificó como “una larga argumentación”.

El inicio de la vida. Desarrollan ARN que se autorreplica indefinidamente.

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La pregunta acerca del inicio de la vida en la tierra, es una de esas complejas. Hay muchas teorías y también mucha habladuría. La existencia de moléculas que pudieran hacer copias de sí mismas (autorreplicación) es fundamental para entender el largo proceso de la herencia hasta nuestros días. Recientes descubrimientos podrían explicar una parte importante de este proceso bioquímico.

En un artículo publicado en Science, científicos de La Jolla, California, informan que han logrado sintetizar por primera vez enzimas de ARN que pueden autorreplicarse sin necesidad de ninguna otra proteína u otro componente celular, y además el proceso se desarrolla indefinidamente en el tiempo.

Actualmente el ADN es el responsable de contener la secuencia genética de los llamados organismos evolucionados, mientras que el ARN depende del ADN para cumplir sus funciones, tales como la construcción de proteínas. La teoría llamada “Modelo del mundo de ARN” postula que ya que el ARN puede actuar como gen o como enzima, el ARN ha aparecido antes que el ADN y las proteínas y es la molécula ancestral de la vida. Sin embargo el proceso de copiar una molécula genética, que es considerado un requisito fundamental para la vida, se observa como un fenómeno extremadamente complejo, que involucra muchas proteínas y componentes celulares.

Durante años, algunos investigadores se preguntaban si existe una forma más simple de que moléculas de ARN generen copias de si mismas. Algunos resultados apuntaban en esta dirección, pero nadie había podido demostrar que el ARN replicado era a su vez capaz de replicarse.

Evolución In Vitro

El trabajo de estos investigadores en California, comenzó con un método de adaptación forzada conocido como ‘Evolución In Vitro’. El objetivo era tomar una las enzimas de ARN desarrolladas en el laboratorio que lograban realizar una replicación básica y mejorarla hasta el punto que realizara autorreplicaciones perpetuas eficientes.

Sintetizaron en el laboratorio una gran variedad de enzimas de ARN que podían realizar esa tarea y llevaron a cabo un procedimiento de selección en tubo, para obtener aquellas variantes que fueran más aptas para unir trozos de ARN.

Finalmente, este proceso permitió al equipo aislar una versión evolucionada de la enzima original que es un replicador muy eficiente.

Inmortalizando la información molecular

El sistema de replicación en rigor implica dos enzimas, cada una compuesta de dos subunidades que complementa la función catalítica de la otra. El proceso de replicación es cíclico, del tipo de replicación cruzada, es decir, que la primer enzima junta las dos subunidades que componen la segunda enzima y las pega haciendo una nueva copia de la segunda enzima, a su vez la segunda enzima junta y pega las dos subunidades de la primera enzima. Para que el proceso suceda indefinidamente solamente se requieren una pequeña cantidad de las dos enzimas y un aporte continuo de subunidades. “Este es el único caso fuera de la biología en que información molecular ha sido inmortalizada” dice Joyce, Decano de la Facultad y director del proyecto.

En este punto se abrieron muchas oportunidades para trabajar con las enzimas obtenidas. En uno de los ensayos mezclaron 12 parejas de replicadores cruzados con todas sus subunidades, y los dejaron competir en un ‘test molecular de supervivencia del más adaptado (fittest)’. En la mayor parte de las ocasiones las enzimas se replicarían correctamente, pero a veces una enzima cometería un error uniendo subunidades de distintas parejas. Cuando estas ‘mutaciones’ ocurrían, las enzimas recombinadas resultantes también eran capaces de autorreplicarse indefinidamente, observándose un crecimiento en número de los replicadores de mayor adaptabilidad (fitness).

La investigación muestra que el sistema puede mantener información molecular, una forma de heredabilidad y dar lugar a variaciones de sí mismo en una forma similar a la evolución darwiniana. Por lo tanto, dice Lincoln, estudiante de doctorado del grupo, “Lo que tenemos no está vivo, pero hemos podido demostrar que comparte algunas  propiedades con los sistemas vivos, y eso es extremadamente interesante”.

El grupo busca ahora posibles aplicaciones de su descubrimiento en diagnósticos moleculares, pero el principal valor del trabajo, según Joyce, está al nivel de investigación básica. “Lo que hemos descubierto podría ser relevante para entender cómo comenzó la vida, en el preciso instante en que se puso en marcha la evolución darwiniana.” Pero señala que a pesar de que los sistemas de autorreplicación de enzimas de ARN comparten ciertas características con los sistemas vivos, no son ellos mismos una forma de vida.

En contra de lo establecido

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Dos viejas creencias de la biología han sido cuestionadas recientemente. La primera que el plumaje del Pavo Real esté ‘diseñado’ para atraer al sexo opuesto y la otra que los camaleones cambien de color para mimetizarse con el medio. Aparentemente ninguna de las dos sería cierta.

Una nueva investigación que ha durado 7 años reporta que las hembras de una población salvaje de Pavo de la India (Pavo cristatus) no muestran preferencia por los machos con exuberante plumaje. El controvertido documento contradice premiados estudios anteriores que son parte del canon de la biología evolutiva.

De un artículo de la revista Science. En la mayoría de las especies, las hembras escogen al macho, aparentemente, evaluando rasgos que dan pistas de salud genética. Por ejemplo, el plumaje del pavo real es más largo que su cuerpo y decorado con círculos similares a ojos de color chillón. El número de círculos puede estar relacionado con la calidad de los genes del macho, por lo que una hembra debería escoger al pavo con el mayor número. En el estudio más citado de plumaje del pavo real, el biólogo evolutivo Marion Petrie de la Universidad de Newcastle en el Reino Unido cortó la parte con los círculos de las plumas de los pavos macho, y las hembras ignoraron a estos ejemplares. Además, los polluelos engendrados por los macho con mayor número de adornos tuvieron a largo plazo mayor supervivencia que el resto de polluelos.

El equipo de Mariko Takahashi tenía previsto confirmar estos resultados. Sin embargo, a pesar de observación de 268 emparejamientos, el equipo no pudo identificar ningún rasgo masculino preferido que las hembras, según informaron en el número de abril de Animal Behaviour. El plumaje podría haber servido inicialmente como una señal a las mujeres, supone Takahashi, un conductista animal en la Universidad de Tokio en Japón. Pero, al igual que la moda del año pasado, ahora ha pasado de moda.

Si las hembras ignoran las plumas, ¿por qué los machos gastan energía para que crezcan y mantenerlas? Michael Ryan, un etólogo de la Universidad de Texas, Austin, dice que los pavos macho pueden mantener este plumaje porque después de que una hembra muestra interés, el pavo sacude las plumas para hacer un ruido que es necesario para el apareamiento. “Sin el plumaje, no podría hacer esa música”, dice.

Cambio de color del camaleón
Cambio de color del camaleón

En otro artículo de Science. Todo el mundo sabe lo que hace especial al camaleón, su capacidad para cambiar de color. Según una reciente publicación en PLoS Biology, su flexibilidad de pigmentación podría tratarse de una forma sexy y peligrosa de destacar y no de mimetizarse.

Los macho de Camaleón son generalmente de color marrón o verde apagados. Pero gracias a un revestimiento especial de las células de la piel conectadas directamente a sus cerebros, los lagartos pueden rápidamente cambiar a una variedad de otros colores, incluyendo verde brillante, amarillo, e incluso rosa. Anteriores investigaciones mostraban que el uso de colores para intimidar a otros machos en la lucha contra él o para impresionar a las hembras cuando coquetean. Pero persiste la creencia, incluso entre los biólogos, que el cambio de color también evolucionó para ayudar a los camaleones ocultarse de las aves de caza.

Para refutar esta idea de una vez por todas, el zoólogo Devi Stuart-Fox, de la Universidad de Melbourne, Australia, y Adnan Moussalli biólogo de la Universidad de KwaZulu Natal en Pietermaritzburg, Sudáfrica, estudiaron 21 especies de Sudáfrica de camaleones enanos. Algunas de estas especies tienen una mayor paleta de colores que otros, utilizando rosa, amarillo, e incluso los colores ultravioleta invisibles para el ojo humano. Los investigadores enfrentaron camaleones macho y utilizaron un espectrómetro para medir la gama de patrones de colores que cada una de las especies producía. A continuación, comparó esta gama de colores a los colores encontrados en cada tipo de hábitat del camaleón. Los colores brillantes de la realidad destacan los lagartos, según informes de los equipos.

Para averiguar cómo ven estos colores otros camaleones – y depredadores – los investigadores usaron modelos de computadora que semejan los ojos de diversas especies. Encontraron una correlación clara entre la visión de un camaleón y su capacidad de producir un conjunto determinado de colores, indirecta pero fuerte evidencia de que el cambio de color que está ‘diseñado’ para ser visto por un camaleón, dice Stuart-Fox. Pero el equipo también encontró que las aves también pueden ver el contraste de color bastante bien, de modo que enseñar sus colores brillantes es un riesgo para los camaleones.

El estudio proporciona fuerte evidencia de que el cambio de color del camaleón ha evolucionado principalmente para la comunicación, dice  el etólogo Roger Hanlon del Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts. Nadie ha demostrado que la habilidad especial del camaleón le  proporcione camuflaje, dice Hanlon, quien estudió 100 años de literatura científica sobre el tema. Eso, combinado con los resultados de esta investigación, dice, debe desenmascarar definitivamente el mito popular – hasta que alguien encuentre una nueva especie que justifique la creencia.