Biofísica II FÍS.

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Física

FENÓMENOS BIOFISICOS. Fenómenos mecánicos. Los cálculos termodinámicos basados en las condiciones físicoquímicas imperantes en el planeta Tierra obligan a admitir que la Naturaleza ha actuado sabiamente al construir el mundo de los seres vivos sobre la base del carbono. En efecto, a la temperatura en que se desarrolla la Vida, las moléculas más estables son las que tienen enlace covalente, como las orgánicas, y el mantenimiento de las complicadas estructuras de las cadenas proteicas y otros biopolímeros requiere un mínimo de energía. Por otro lado, esas estructuras son de tal naturaleza, que tienen una elasticidad que se adapta perfectamente a las fuerzas de tracción y rotación a las que se ven sometidas determinadas células (p. ej., las que forman el tallo herbáceo de muchos vegetales) o tejidos, como los conjuntivos y las finas membranas de elastina y reticulina de los animales superiores, que necesitan desplazarse unas sobre otras y que de otro modo se desgarrarían por fenómenos de cizalladura. Es igualmente destacable la impresionante capacidad de adaptación a las condiciones cambiantes del tejido óseo, de tal modo que sus trabéculas siguen en todo momento las líneas de mayor carga o de mayor tracción. Pero no sólo las trabéculas van a disponerse de tal forma que la estructura sea lo más resistente posible. El aparato locomotor, en conjunto, va a ser equiparable a un sistema de palancas articuladas, con poleas y múltiples cables que van a ejercer fuerzas sobre puntos muy concretos. El movimiento global de un miembro cualquiera, o del cuerpo en su conjunto, puede obtenerse por un complicado ejercicio de composición de fuerzas. Hay que tener en cuenta, naturalmente, las limitaciones físicas existentes por los accidentes propios de cada articulación, sus posibles movimientos de rotación, de traslación, de elevación y descenso, etc. También hay que tener en cuenta que normalmente no actúa un músculo aislado. Cuando un organismo responde a un estímulo, lo normal es que toda una cadena de músculos se contraiga (lo que se llama una lazada muscular). Sólo con un estudio de este tipo podemos entender las costumbres o hábitos de un animal. No son los mismos los movimientos que puede realizar, p. ej., un reptil que un mamífero, y dentro de éstos uno que sea cuadrúpedo (un gato) que el hombre, en el que la posición bípeda ha producido una modificación de la caja torácica y un giro de la cintura escapular, lo que permite mayor amp]itud de movimientos al miembro superior.

Fenómenos osmóticos. El que determinados fenómenos biológicos ocurran de una manera y no de otra, tiene, su explicación en las leyes físicas que rigen el estado líquido. Esto no es de extrañar, ya que la vida se lleva a cabo en una fase acuosa. La constitución misma de la materia viva está condicionada por fenómenos de tensión superficial. El trasiego de materiales a través de la membrana de las células se verifica por difusión simple o por ósmosis, que en definitiva no es más que un fenómeno de difusión dificultada. Los procesos osmóticos son de enorme importancia para los seres vivos. Si sus células quedan en un medio hipertónico, se deshidratan; si quedan en uno hipotónico pueden llegar a estallar. En los animales y plantas superiores sería muy fácil que, en determinadas circunstancias, sus células se volvieran hipertónicas con relación al medio. Esto ocurriría cuando, por ej., el fenómeno de la fotosíntesis fuera muy intenso en una planta, o cuando un animal acaba de ingerir una comida rica en hidratos de carbono. En estas ocasiones, un gran número de moléculas de glucosa y otrós azúcares sencillos ingresan al interior de algunas células, p. ej., las células del parénquima de reserva de los vegetales y células hepáticas de los animales. Si no ocurre nada es porque esas moléculas relativamente sencillas se unen unas a otras para formar polímeros. De esa forma, 2 6 3.000 moléculas de glucosa pasan a formar una molécula de almidón o glucógeno. Como la presión osmótica no depende del tamaño de las partículas, sino de su número, el aumento de la presión osmótica queda neutralizado sin riesgo de ningún tipo.

Por otro lado, la vida en aguas salobres y dulces y en tierra firme sólo ha sido posible cuando los seres vivos se han provisto de estructuras que evitarán la desecación excesiva (paredes impermeables de la célula vegetal epidérmica, cutícula impermeable de los artrópodos, grueso tegumento de los reptiles) y de un riñón que es capaz dé reabsorber una gran proporción de electrolitos.

Fenómenos hidráulicos. El aumento de complejidad de los seres vivos, en el reino animal sobre todo, ha hecho indispensable tener un medio interno que bañe las células. Ese medio interno sería inútil si no se renovase constantemente o, lo que es lo mismo, si no está en continuo movimiento. Esto requiere un mecanismo de bombeo y un sistema de conducción. El primero es el llamado corazón (o corazones, ya que no siempre es único) y el segundo está formado por un conjunto de vasos (arterias, capilares, venas, vasos linfáticos, etc.). Es evidente que todo este complicado aparato funcionará de acuerdo con las leyes de la hidrodinámica, pero en este caso el fenómeno es más complejo, porque por lo general el calibre de los vasos no es constante; ni tampoco el volumen de líquido que debe circular por ellos, ni su velocidad, ya que esto varía según cambien las circunstancias en que se encuentra inmerso el organismo. De este modo, en ocasiones el régimen de circulación será laminar, en otras turbulento, etc. Al ser variable el calibre de los vasos, la resistencia periférica también variará, y la bomba que impulsa ese líquido deberá ajustarse en cada momento para que el trabajo sea mínimo. Se presentan nuevas dificultades si consideramos que el líquido circulante (sangre; linfa, etcétera) no es un líquido ideal, por lo que hay que tener en cuenta los fenómenos de viscosidad, y que esta viscosidad varía de acuerdo con la concentración de determinadas sustancias. Es necesario añadir que los ciclos de actividad de. la bomba aspiranteimpelente deben ser continuos, pero sin que ello suponga un agotamiento rápido, ya que debe durar durante toda la vida del individuo.

Física de los gases. Uno de los lugares donde tiene lugar la renovación indicada del líquido circulante, o mejor su modificación, son los órganos respiratorios (pulmones, branquias, tráqueas), y el intercambio de gases que en ellos tiene lugar obedece a varias leyes físicas. En primer lugar, obedece a la ley de Henry, que dice que la cantidad de gas que puede disolverse en la unidad de volumen de un líquido, a temperatura constante, es proporcional a la presión parcial de dicho gas. Este factor es limitativo para muchos seres vivos, que no pueden vivir a determinada altura porque su metabolismo basal es más alto del que puede mantenerse con la cantidad de oxígeno que pueden extraer del medio. Es también conocido que, al menos en el hombre, a nivel del mar, donde la presión parcial de oxígeno es grande, suele disminuir el número de glóbulos rojos circulantes, mientras que en zonas montañosas es más elevado. Esto sucede porque cada gas de los presentes en el medio se comporta como si fuera el único, de acuerdo con la ley de Dalton. Todos estos hechos se complican por la ley de Graham, según la cual los gases más ligeros se difunden más rápidamente que los pesados, lo que representa una ventaja indudable para los seres vivos, ya que a nivel de los órganos respiratorios la presión parcial de anhídrido carbónico es mayor en sangre que en el aire, mientras que la de oxígeno es menor, por lo que éste pasa a la circulación. Por el contrario, en los tejidos es más baja la presión parcial de oxígeno que en el líquido circulante, y tiende a pasar a ellos. Como el oxígeno es más ligero que el anhídrido carbónico, en caso de que el organismo requiera realizar un esfuerzo brusco, el oxígeno pasará rápidamente y aquél será posible. En contraposición, el anhídrido carbónico se elimina más lentamente y altera el pH del medio, pudiendo llegar a ser fatal para el individuo, pero esto ocurre sólo después de esfuerzos muy prolongados.

Fenómenos acústicos. De indudable base física es también la percepción de sonidos (v. oíDO). Una onda sonora está constituida por compresiones y enrarecimientos. Esta onda es recogida por una membrana timpánica que aparece ya en los anfibios. Primero es superficial, pero luego queda en el interior de un conducto auditivo en crocodílidos y aves. En los mamíferos aparece el pabellón auditivo externo; este último actúa como colector de ondas, que son transmitidas por el conducto auditivo hasta el tímpano, el cual cumple,el mismo cometido que una membrana microfónica, salvo que no va a transformar las ondas mecánicas en ondas electromagnéticas y que sus vibraciones son muy amortiguadas. Las modificaciones del tímpano son transmitidas por una cadena de huesecillos, que forman el oído medio, hasta la ventana oval. Dado que la superficie timpánica es muy superior a la de la ventana oval, y que las palancas óseas actúan como amplificadores, las excitaciones recibidas quedan multiplicadas por un factor aproximadamente igual a 60. Cuando la onda de compresión y descompresión llega al oído interno, se encuentra con un medio distinto (líquido) en contraposición al aire existente en el oído externo y el oído medio, por lo que hay un cambio de impedancia o resistencia acústica. Este cambio de medio es deficitario; a causa de ello, la intensidad del sonido queda afectada por un nuevo factor que vale aproximadamente 0,001. Si no fuera por el carácter de amplificador del oído medio, nuestra capacidad auditiva sería francamente limitada, pero gracias a él se compensa casi totalmente ese cambio de medio. Las ondas recogidas en la membrana de la ventana oval son transmitidas al medio líquido que llena el caracol o cóclea, en cuyo interior se aprecia una membrana basilar que lo divide longitudinalmente. Sobre esta membrana basilar se distribuyen las terminaciones del nervio auditivo. La parte de la membrana que entra en vibración a la llegada de la onda de excitación depende de su frecuencia y de su intensidad. Cómo se integran todos estos factores en una sensación auditiva es todavía un misterio, pero lo cierto es que la vibración de la membrana origina una corriente microfónica coclear, que va después a despolarizar el nervio auditivo.

Fenómenos eléctricos: v. BIOELECTRICIDAD.

Fenómenos ópticos. Otro tipo de función biológica que tiene un fundamento físicoquímico es la visión (v. ojo). En todos los órganos fotorreceptores se asocia una porción fotosensible y otra que tiene por misión el enfoque y el ajuste de la cantidad de luz que penetra, y que forman en conjunto un sistema óptico más o menos complicado. El primer proceso de la visión, la formación de la imagen en la retina, es comparable en cierto modo a la impresión de una placa en la cámara fotográfica. En los Casos de mayor complejidad’, el ojo está formado por cuatro lentes: la córnea, el humor acuoso, el cristalino y el humor vítreo, rodeadas de unas células pigmentadas que suprimen interferencias.

La córnea y el humor acuoso tienen un índice de refracción prácticamente igual, y en conjunto forman un sistema de lentes cóncavoconvexo. Ya que dicho sistema está en contacto directo con el aire, cuya densidad óptica es muy diferente, la mayor parte (dos tercios concretamente) del poder de refracción total del ojo se deben a este sistema. El resto corresponde prácticamente al cristalino, que es una lente biconvexa, cuya parte cortical tiene menor poder de refracción que el núcleo, lo que ayuda a corregir las aberraciones cromática y esférica, producidas sobre todo en la periferia. Aunque aislada del ojo, la córnea tiene un poder de refracción mucho menor que el cristalino; debido a su colocación, el poder real es distinto, como se dijo anteriormente. La importancia del cristalino radica en su capacidad de cambiar de forma y enfocar los rayos sobre la retina. Si no fuera por este mecanismo llamado acomodación, veríamos todo borroso y desenfocado, como realmente ocurre en las personas amétropes, en las que se pierde parte de la capacidad de acomodación y la imagen se forma delante o detrás de la retina, según los casos. El aparato óptico descrito hasta ahora se completa con el iris. Éste es una membrana pigmentada situada en el segmento anterior del ojo, que está perforada por un orificio central llamado pupila. Su papel fundamental consiste en regular el tamaño de esta última, y graduar, por tanto, el paso de rayos luminosos que se dirigen a la retina, produciendo un fenómeno de adaptación a la intensidad lumínica que no debe confundirse con la acomodación del cristalino. V. t.: CORAZÓN Y SISTEMA CIRCULATORIO; BIOELECTRICIDAD; OíDo; Ojo; RESPIRACIÓN I.

A. IRURZUN POZO.

BIBL.: W. F. GANONG, Manual de Fisiología Médica, México 1968; F. ORTs LLoRcA, Anatomía Humana, I, Madrid 1963; J. CATALA DE ALEMANY, Física General, Madrid 1963; P. GRAssÉ y oTRos, Précis de Zoologie, 1, Invertébrés, París 1961; B. A. HoussAY, Fisiología Humana, Barcelona 1969; W. BARGMAN, Histología zy Anatomía microscópica humanas, Barcelona 1964.