Biología del desarrollo para niños
La biología del desarrollo es una rama de la biología que estudia cómo los organismos crecen y se forman desde una sola célula hasta convertirse en un ser completo. Imagina cómo una pequeña semilla se convierte en un árbol gigante o cómo un huevo se transforma en un pollito. Esta ciencia investiga los pasos y los controles genéticos que guían el crecimiento celular, la diferenciación celular (cuando las células se especializan para diferentes trabajos) y la morfogénesis (el proceso que crea los tejidos, órganos y la forma del cuerpo).
Los científicos que estudian la biología del desarrollo buscan responder preguntas importantes como:
- ¿Cómo una célula que parece simple se convierte en un organismo con muchas partes diferentes?
- ¿Qué mecanismos guían la formación de un ser vivo en tres dimensiones?
- ¿Qué elementos biológicos son clave en los procesos de desarrollo?
- ¿Cómo se relaciona la información genética con la complejidad de un organismo que se desarrolla?
Contenido
Historia de la Biología del Desarrollo
Primeras Ideas y Observaciones
Desde la antigüedad, las personas se han preguntado cómo se forman los seres vivos. Hipócrates, un médico griego, pensaba que el desarrollo se explicaba por el calor, la humedad y la solidificación.
Mucho tiempo después, Aristóteles, un famoso filósofo y científico, hizo las primeras preguntas sobre el desarrollo de los embriones. Sus ideas fueron muy influyentes por siglos. Aristóteles es considerado el primer embriólogo. Él propuso dos ideas principales:
- Preformacionismo: Esta idea decía que el embrión ya estaba completamente formado desde el principio, solo que era muy pequeño y luego crecía.
- Epigénesis: Esta idea, que Aristóteles apoyó correctamente, sugería que las estructuras del embrión se forman y crecen poco a poco con el tiempo.
Aristóteles llegó a estas conclusiones observando huevos de gallina incubados. También entendió las funciones básicas de la placenta y el cordón umbilical. Además, notó cómo nacían los animales: algunos nacen vivos (vivíparos), otros de huevos (ovíparos) y otros de huevos que se rompen dentro de la madre (ovovivíparos). También identificó dos formas principales de división celular.
Durante la Edad Media, no hubo grandes avances en este campo de la ciencia.
Avances en el Barroco
A mediados del siglo XVII, en 1651, William Harvey afirmó que todos los animales provienen de huevos. Su frase "Ex ovo omnia" ("Todos a partir de huevo") ayudó a descartar la idea de que la vida podía surgir de la nada (generación espontánea). También sugirió que el líquido amniótico (el líquido que rodea al embrión) actúa como un "amortiguador". Harvey fue el primero en observar el blastodermo (una capa de células en el embrión de pollo) y notar que en él se formaban "islotes" de células sanguíneas antes de que el corazón se desarrollara.
Con la invención del microscopio, la embriología pudo hacer observaciones mucho más detalladas. En 1672, el embriólogo italiano Marcello Malpighi publicó un estudio sobre el desarrollo del pollo visto con microscopio. Él fue el primero en observar el surco neural (una estructura que forma el sistema nervioso), los somitas (bloques de tejido que forman músculos y vértebras) y la circulación de sangre hacia y desde el saco vitelino (una bolsa que alimenta al embrión). A pesar de sus observaciones, Malpighi seguía creyendo en la idea de la preformación.
La Biología del Desarrollo en la Modernidad
La idea de la preformación fue muy popular en el siglo XVIII. Se creía que todo el individuo ya estaba preestablecido en las células reproductivas (como un pequeño "homúnculo" o ser diminuto), y que no se necesitaba ninguna fuerza externa para su desarrollo. Esta teoría reforzaba la idea de que no había cambios entre generaciones.
Sin embargo, Caspar Friedrich Wolff demostró que las regiones embrionarias del pollo se desarrollan a partir de tejidos que no tienen un equivalente en un organismo adulto. Para explicar cómo se formaban nuevos individuos en cada generación, propuso la existencia de una "fuerza esencial" (vis essentialis) que organizaría el desarrollo de los embriones.
Christian Pander estudió el embrión de pollo y descubrió las capas germinales: el ectodermo, el mesodermo y el endodermo. También encontró que estas capas no formaban sus órganos de forma independiente, sino que interactuaban entre sí. Esto apoyaba la idea de la epigénesis. Martin Heinrich Rathke, otro científico, observó el desarrollo de peces, anfibios, reptiles y mamíferos, notando las similitudes en su desarrollo. Describió estructuras como los arcos faríngeos y el origen de los sistemas reproductor, excretor y respiratorio.
La discusión entre las ideas de epigénesis y preformación se resolvió finalmente con la teoría celular propuesta por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann. Esta teoría dice que todos los organismos se originan de una célula, que debe multiplicarse para generar diferentes tipos de células y, con ellas, el individuo completo. Esto significa que el desarrollo de un individuo debe ser epigenético, es decir, que se forma progresivamente.
Otro argumento contra el preformacionismo fue propuesto por August Weismann. Él dijo que el nuevo individuo no hereda características de todo el cuerpo de sus padres, sino solo de las células germinales (las células reproductivas). Weismann hizo una distinción importante entre las células del cuerpo (somáticas) y las células reproductivas (germinales). Esto implicaba que las características que un individuo adquiere durante su vida no se transmiten a sus hijos.
A finales del siglo XIX, experimentos con erizo de mar mostraron que el huevo contenía contribuciones de ambos padres fusionadas en el núcleo, que era responsable de la herencia. Se demostró que los cromosomas en el núcleo de un huevo fertilizado (llamado cigoto) provienen por igual de los padres. Así se estableció que los cromosomas son la unidad física que transmite los caracteres genéticos, siguiendo las leyes de Gregor Mendel.
Karl Ernst von Baer continuó los estudios de Pander sobre el embrión de pollo y descubrió la notocorda (una estructura que da soporte al embrión) y el gameto femenino (el óvulo). De su trabajo, von Baer estableció cuatro principios generales del desarrollo.
La Biología del Desarrollo Hoy
En 1924, Hans Spemann y Hilde Mangold hicieron un descubrimiento importante: la inducción embrionaria. Trasplantaron una pequeña parte de un embrión de salamandra a otro, y esto hizo que se formara un individuo con dos cabezas. Esta parte trasplantada se conoce como el "organizador de Spemann". Por este trabajo, Spemann recibió el Premio Nobel en 1935.
En 1978, ocurrió el nacimiento del primer ser humano concebido fuera del cuerpo (in vitro).
En 1986, se descubrió la muerte celular programada, también conocida como apoptosis. Este proceso es esencial para un desarrollo adecuado. Se observó en un pequeño gusano llamado Caenorhabditis elegans, que inicialmente tiene 1090 células, pero al final de su desarrollo solo conserva 959. Esto significa que 131 células desaparecen de forma controlada. Siempre eran las mismas 131 células. Se descubrió que este mecanismo es muy antiguo en la evolución y se conserva en muchos animales, desde gusanos hasta mamíferos. Por este descubrimiento, H.Robert Horvitz y Ellis recibieron el Premio Nobel.
Conceptos Clave del Desarrollo
La biología del desarrollo utiliza muchos términos importantes para describir los procesos y las partes de un organismo en crecimiento. Algunos de ellos son:
- alantoides
- blastocisto
- blastómero
- blástula
- blastulación
- capa germinal
- cigoto
- clivaje
- corion
- crisálida
- desarrollo neural
- ectodermo
- embriogénesis
- embriogenia
- embriología
- embrión
- endodermo
- epiblasto
- factor de crecimiento
- feto
- filogenia
- gástrula
- gastrulación
- germinación
- hipoblasto
- inducción
- juvenil
- larva
- membrana extra-embrionaria
- mesodermo
- metamorfosis
- morfogénesis
- mórula
- neotenia
- ninfa
- ontogenia
- oosperma
- ovismo
- paedogénesis
- pangénesis
- plan corporal
- plasma germinal
- primordio
- pupa
- saco amniótico
- teratología
Cómo Ocurre el Desarrollo: Mecanismos
Mecanismos Básicos
El desarrollo de un organismo implica varios procesos fundamentales a nivel celular:
- Mitosis asimétrica: Cuando una célula se divide, las dos células hijas no son idénticas.
- Dinámica temporal interna acoplada a mitosis: El tiempo de división celular influye en el desarrollo.
- Inducción jerárquica: Algunas células o tejidos influyen en el desarrollo de otros.
- Mitosis dirigida: Las células se dividen en direcciones específicas.
- Crecimiento diferencial: Algunas partes crecen más rápido que otras.
- Apoptosis: La muerte celular programada, necesaria para dar forma a los órganos.
- Migración: Las células se mueven a diferentes lugares en el embrión.
- Adhesión: Las células se pegan entre sí para formar tejidos.
- Contracción: Las células se encogen para cambiar la forma de los tejidos.
- Tumefacción, pérdida o deposición de la matriz celular: Cambios en el material que rodea a las células.
Mecanismos Moleculares
A nivel molecular, el desarrollo embrionario es controlado por diferentes tipos de moléculas. Los factores de transcripción son como interruptores que activan o desactivan genes. Esto permite que cada tipo de célula (como las epiteliales, neuronas o musculares) produzca las proteínas específicas que necesita.
Estos factores de transcripción son regulados por "cascadas de señales". Imagina una cadena de mensajes: una señal de fuera de la célula es recibida por un receptor en la membrana, que luego activa una serie de enzimas que llevan el mensaje al núcleo celular. Un tipo de genes muy importante son los que producen proteínas de adhesión, que son cruciales para que las células se unan y formen estructuras.
Procesos Clave del Desarrollo
Diferenciación Celular
La diferenciación celular es el proceso por el cual las células se vuelven especializadas para realizar funciones específicas. Por ejemplo, una neurona (célula nerviosa), una fibra muscular o una célula hepática son tipos de células diferenciadas. Estas células producen grandes cantidades de proteínas necesarias para su trabajo, lo que les da su aspecto característico.
Los genes que producen estas proteínas están muy activos. Su estructura en el cromosoma es "abierta", lo que permite que las enzimas y los factores de transcripción accedan al ADN y activen la expresión de esos genes. Por ejemplo, NeuroD es un factor de transcripción clave para que una célula se convierta en neurona, miogenina para las células musculares y HNF4 para las células hepáticas.
La diferenciación celular suele ser la etapa final del desarrollo. Un solo tejido, que se forma a partir de un tipo de célula madre o célula progenitora, puede contener varios tipos de células diferenciadas. Un sistema de señalización llamado Notch es importante para controlar este proceso, asegurando que se formen las cantidades correctas de cada tipo de célula.
Regeneración
La regeneración es la capacidad de un organismo para hacer crecer de nuevo una parte que ha perdido. Es muy común en las plantas y en animales como las hidras o las ascidias. Pero los biólogos del desarrollo se han interesado mucho en la regeneración de partes en animales de vida libre.
Cuatro ejemplos han sido muy estudiados:
- La hidra y los gusanos planaria pueden regenerar cuerpos enteros. La hidra puede formar un pólipo completo a partir de un pequeño fragmento, y las planarias pueden regenerar tanto la cabeza como la cola. Ambos tienen células madre que se renuevan continuamente, y en las planarias, algunas de estas células madre son pluripotentes (pueden convertirse en muchos tipos de células).
- Los insectos (como los grillos) y los anfibios (como las salamandras) pueden regenerar solo sus apéndices (como patas o extremidades).
Se sabe mucho sobre la regeneración de las extremidades de los anfibios. Cada tipo de célula se regenera a sí misma, excepto los tejidos conectivos (como el cartílago o los tendones), que pueden transformarse entre sí. El patrón de las estructuras regeneradas está controlado por la reactivación de las mismas señales que actúan en el embrión. Los científicos aún debaten si la regeneración es una capacidad "original" de los seres vivos o si ha evolucionado como una adaptación específica. Si es una capacidad original, entenderla mejor podría ayudar a mejorar la capacidad regenerativa en los seres humanos.
Organismos Modelo en Biología del Desarrollo
Los científicos usan ciertos organismos como "modelos" para estudiar el desarrollo, porque son fáciles de investigar y sus procesos son similares a los de otros seres vivos. Algunos de estos modelos son:
- Cordados (animales con notocorda o columna vertebral)
* Anfioxo (Branchiostoma lanceolatum) * Pez cebra (Danio rerio) * Sapos (Xenopus laevis) * Pollo (Gallus gallus) * Ratón (Mus musculus)
- Invertebrados (animales sin columna vertebral)
* Erizo de mar * Nematodo (Caenorhabditis elegans) * Mosca de la fruta (Drosophila melanogaster)
- Plantas
* Arabidopsis thaliana * Maíz * Antirrhinum
Ramas de la Biología del Desarrollo
Embriología
La embriología es una parte de la biología del desarrollo que se enfoca en el estudio de los organismos desde que son una sola célula (generalmente el cigoto) hasta el final de la etapa embrionaria, cuando el organismo comienza su vida independiente. Antes, la embriología era más descriptiva, pero hoy en día, junto con la biología del desarrollo, estudia todos los pasos necesarios para la formación del cuerpo de un organismo vivo.
Biología Evolutiva del Desarrollo
La biología evolutiva del desarrollo, a menudo llamada "Evo-Devo", se hizo muy importante en la década de 1990. Combina los descubrimientos de la biología molecular del desarrollo con la biología evolutiva. Esta rama estudia cómo la evolución ha influido en los procesos de desarrollo para crear la gran diversidad de organismos que vemos en la Tierra.
Aplicaciones en Medicina
Los descubrimientos de la biología del desarrollo son muy útiles para entender y tratar problemas en el desarrollo, como el síndrome de Down (una alteración cromosómica). Comprender cómo las células se diferencian durante el desarrollo podría permitir a los científicos especializar células madre en diferentes tejidos y órganos. Esto tiene un gran potencial para la medicina, por ejemplo, para reparar tejidos dañados o crear órganos para trasplantes.
Galería de imágenes
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Perspectivas de un feto en el útero Leonardo da Vinci (1510-1512).
Véase también
En inglés: Developmental biology Facts for Kids
