Biofísica, disciplina que se ocupa de la aplicación de los principios y métodos de la física y las demás ciencias físicas a la solución de problemas biológicos. La aparición relativamente reciente de la biofísica como disciplina científica puede atribuirse, en particular, al espectacular éxito de las herramientas biofísicas para desentrañar la estructura molecular del ácido desoxirribonucleico (ADN), el material hereditario fundamental, y para establecer la estructura detallada y precisa de proteínas como la hemoglobina, a fin de conocer la posición de cada átomo. La biofísica y la biología molecular, íntimamente relacionada con ella, están ahora firmemente establecidas como piedras angulares de la biología moderna.
Antecedentes históricos
El origen de la biofísica es anterior a la división de las ciencias naturales en disciplinas separadas. La bioluminiscencia debe considerarse uno de los objetos más antiguos de la exploración biofísica, ya que la emisión de luz por parte de los organismos vivos ha estimulado durante mucho tiempo la curiosidad de los filósofos naturales. Quizá la primera investigación científica de la luminiscencia animal fue la de Athanasius Kircher, un sacerdote jesuita alemán del siglo XVII, que dedicó dos capítulos de su libro Ars Magna Lucis et Umbrae a la bioluminiscencia. En medio de sus observaciones más científicas, Kircher encontró tiempo para exponer como una falacia la noción de que un extracto hecho de luciérnagas podía usarse para iluminar casas.
La relación entre la electricidad y la biología se convirtió en un tema de especulación en el siglo XVII y de intensa exploración en el XVIII y XIX. Sir Isaac Newton, en sus Principia (1687), escribió que existe “un espíritu muy sutil que impregna y se oculta en todos los cuerpos brutos” y que “toda sensación es excitada, y los miembros de los cuerpos animales se mueven a la orden de la voluntad, es decir, por las vibraciones de este espíritu, que se propagan mutuamente a lo largo de los filamentos sólidos de los nervios, desde los órganos externos de los sentidos hasta el cerebro, y desde el cerebro hasta los músculos”. La fascinación del hombre por la electricidad animal queda ilustrada en una carta escrita por John Walsh en 1773 al inventor y estadista estadounidense Benjamin Franklin; Walsh escribió los detalles de su descubrimiento de la naturaleza eléctrica de la descarga del torpedo o rayo eléctrico:
Típico de la unidad de la ciencia que entonces prevalecía eran los avances que a veces hacían los profesores de física que se interesaban por los fenómenos biológicos o los profesores de anatomía, materia que en aquella época incluía la fisiología. Así, el abate Giovanni Beccaria, profesor de física en Turín y principal estudioso de la electricidad en Italia a mediados del siglo XVIII, realizó experimentos sobre la estimulación eléctrica de los músculos. Albrecht von Haller, profesor de anatomía y cirugía en Göttingen, habló del “fluido nervioso” y conjeturó si la “materia eléctrica” y los “espíritus animales” eran lo mismo. En 1786, Luigi Galvani, médico de Bolonia, realizó el experimento crucial que ayudó a poner fin a esta controversia. Galvani estaba supuestamente realizando experimentos con una máquina en compañía de amigos, cuando, por casualidad, uno de los miembros del grupo sondeó ociosamente con un cuchillo los nervios del muslo de una rana desollada que se iba a utilizar para hacer sopa. Cuando los músculos de la pata de la rana se contrajeron repentina e inesperadamente, la esposa de Galvani observó que la máquina eléctrica había producido una chispa y “creyó que había un acuerdo en el tiempo”. Aunque el relato de Galvani sobre el suceso difiere un poco en detalles del anterior, es cierto que el experimento se repitió y se verificó, sentando las bases para una larga controversia entre los defensores de la opinión de Galvani de que la corriente generada por un animal puede provocar una contracción y los de Alessandro Volta, que afirmaban que la pata de rana sólo servía como detector de diminutas diferencias de potencial eléctrico externas a ella. Los partidarios de Galvani realizaron un experimento en el que no había fuentes externas de electricidad, demostrando así que la corriente generada por un animal podía provocar la contracción muscular. Pero también era posible provocar la contracción por contacto con metales; Volta realizó tales investigaciones, que culminaron con su invención de la pila eléctrica, que fue tan importante que eclipsó las investigaciones de Galvani. En consecuencia, el estudio del potencial eléctrico en los animales desapareció de la consideración científica hasta 1827.
Dado que durante muchos años la pata de rana fue el detector más sensible de las diferencias de potencial eléctrico, la aceptación definitiva de la opinión de que los tejidos vivos pueden generar corrientes tuvo que esperar a la construcción de galvanómetros lo suficientemente sensibles como para medir las diminutas corrientes generadas en los músculos y las pequeñas diferencias de potencial a través de las membranas nerviosas. Los galvanómetros fueron construidos por el gran electrofisiólogo alemán del siglo XIX Du Bois-Reymond, profesor de fisiología en Berlín. Sus investigaciones sobre la corriente muscular y el potencial eléctrico de los nervios dependían de un galvanómetro de su propia invención que requería 3,17 millas (5,10 kilómetros) de cable enrollado en 24.000 vueltas. La investigación en esta materia, llamada neurofisiología, creció con el aumento de la comprensión de los fenómenos eléctricos y la fisiología celular; sirvió como punto de origen de la biofísica.
La biofísica también surgió de las investigaciones sobre los gradientes de difusión y la presión osmótica, dos fuerzas responsables del flujo pasivo de la materia en los organismos vivos. La presión osmótica, la presión que se desarrolla en una solución separada de un disolvente por una membrana permeable sólo al disolvente, fue descrita por primera vez por el abate J.A. Nollet, que llegó a ser profesor de física experimental en el Colegio de Navarra. Las membranas semipermeables necesarias para producir el flujo de fluido que caracteriza a los fenómenos osmóticos procedían inicialmente de fuentes biológicas; el científico francés René Dutrochet escribió en 1828: “se desprende de estos nuevos estudios que los fenómenos endosmóticos y exosmóticos, que yo descubrí, pertenecen a una nueva clase de fenómenos físicos, cuya poderosa intervención en el fenómeno vital ya no es dudosa.” Tras las primeras mediciones cuantitativas del botánico W.F.P. Pfeffer, las leyes fundamentales que rigen la difusión fueron enunciadas por Adolf Fick, que en 1856 publicó el que probablemente sea el primer texto de biofísica, Die medizinische Physik (“Física médica”). Fick desarrolló las leyes de la difusión no a partir de experimentos, sino por analogía con las leyes que rigen el flujo de calor; posteriores experimentos de laboratorio demostraron que la analogía era cuantitativamente exacta.
La investigación física y química confluyó en la química física, una materia que comenzó a desarrollarse con la aparición de la Zeitschrift für Physikalische Chemie en 1887, una revista fundada por el químico holandés Jacobus van’t Hoff y el químico alemán Wilhelm Ostwald. El primer volumen contiene contribuciones de los químicos físicos más destacados de la época, como van’t Hoff, Ostwald, François Raoult y Svante Arrhenius. Se ocuparon de las reacciones en solución, un tema central en biología porque el medio interior de todas las células vivas es acuoso y las reacciones químicas que sustentan la vida tienen lugar en el agua. Los intereses científicos de van’t Hoff, en particular, trascendieron los límites entre disciplinas. Subrayó la importancia de las leyes de la ósmosis, que había delineado claramente, para la economía de todos los procesos vivos.
La mayor parte de la investigación biofísica ha sido llevada a cabo por físicos interesados en la biología; por lo tanto, debe haber una forma en la que los científicos formados en física y química física puedan encontrar su camino hacia la biología y familiarizarse con los problemas que pueden estar abiertos a una interpretación física. Aunque los departamentos de biología de orientación clásica suelen ofrecer puestos a los biofísicos, no son sustitutos de los centros en los que la investigación biofísica tiene una importancia central.
El biofísico posee la capacidad de separar los problemas biológicos en segmentos que sean susceptibles de una interpretación física exacta y de formular hipótesis que puedan ser comprobadas mediante experimentos. La principal herramienta del biofísico es la actitud mental. A esto se añade la capacidad de utilizar la teoría física compleja para estudiar los objetos naturales, por ejemplo, la implicada en las técnicas de difracción de rayos X utilizadas para determinar la estructura de grandes moléculas como las proteínas. El biofísico suele reconocer la utilidad de las nuevas herramientas físicas -por ejemplo, la resonancia magnética nuclear y la resonancia de espín electrónico- en el estudio de problemas específicos de la biología. Pero también puede, gracias a su experiencia previa en la construcción de equipos especializados para resolver problemas físicos, no tener que depender de instrumentos construidos comercialmente.
El desarrollo de instrumentos con fines biológicos es un aspecto importante de una nueva área: la biofísica aplicada. La instrumentación biomédica es probablemente la más utilizada en los hospitales. La biofísica aplicada es importante en el campo de la radiología terapéutica, en la que la medición de la dosis es fundamental para el tratamiento, y en la radiología de diagnóstico, sobre todo con las técnicas de localización de isótopos y la exploración de todo el cuerpo para ayudar al diagnóstico de tumores. Los ordenadores tienen cada vez más importancia como ayuda para el diagnóstico y la atención al paciente. La automatización de los análisis químicos que se realizan habitualmente en los hospitales será pronto una realidad. Las posibilidades de aplicación de la biofísica parecen ilimitadas, ya que el largo plazo que transcurre entre el desarrollo de un instrumento de investigación y su aplicación hace que muchos instrumentos científicos basados en principios físicos ya conocidos demuestren tener un importante potencial para la medicina.
Trabajo interdisciplinario
El enfoque biofísico está unificado por una consideración de los problemas biológicos a la luz de los conceptos físicos, de modo que la biofísica es, forzosamente, interdisciplinaria. La biofísica puede considerarse el círculo central de un conjunto bidimensional de círculos superpuestos, que incluyen la física, la química, la fisiología y la biología general. Las relaciones con la química se establecen a través de la bioquímica y la química; las relaciones con la fisiología, a través de la neurofisiología y la fisiología sensorial. La biología, que puede considerarse como una materia general que impregna el estudio biofísico, está evolucionando desde una ciencia puramente descriptiva hacia una disciplina cada vez más dedicada a comprender la naturaleza de los motores principales de los acontecimientos biológicos. La evolución de la biología en estas direcciones ha recibido un gran impulso de los descubrimientos biofísicos y bioquímicos del siglo XX. La comprensión de los principios físicos que rigen los efectos biológicos es el fin propio de la biofísica.
Áreas de estudio
El contenido y los métodos de la biofísica se ilustran examinando varias contribuciones notables a la ciencia.
Estructura de las proteínas
Dos días después de la publicación inicial del descubrimiento de los rayos X por parte de Wilhelm Röntgen en 1895, un cirujano de Escocia utilizó los rayos X para observar una aguja mientras la extraía de la palma de una desafortunada costurera. Aunque esta aplicación médica dio lugar al desarrollo del diagnóstico radiológico y al tratamiento de las enfermedades por medio de la radiación, los aspectos físicos del descubrimiento de Röntgen también proporcionaron los medios para dilucidar la estructura de las proteínas y otras moléculas grandes. Las leyes que rigen la difracción de los rayos X fueron descubiertas por los dos Braggs, Sir William y Sir Lawrence, que eran padre e hijo. En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, donde Sir Lawrence era profesor, J.D. Bernal estudiaba el uso de la difracción de rayos X para determinar la estructura de grandes moléculas biológicas. Ya había utilizado los rayos X para definir el tamaño y la forma del virus del mosaico del tabaco y había demostrado que tenía una estructura interna regular. En el Laboratorio Cavendish, el grupo que se formó en torno a Bernal, un hombre de amplios intereses públicos y científicos, incluía a los premios Nobel Max Perutz y John Kendrew, que en 1937 empezaron a utilizar los rayos X para analizar dos proteínas fundamentales para la vida, la mioglobina y la hemoglobina, que funcionan en el transporte de gases en la sangre. Pasaron 22 años antes de que se establecieran las estructuras de estas proteínas; la importancia del trabajo es que proporcionó la base para comprender el mecanismo de acción de las enzimas y otras proteínas, un tema activo y fructífero de la investigación moderna.
El ácido desoxirribonucleico
El interés por la biofísica en el Laboratorio Cavendish dio lugar a otro importante descubrimiento, la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), el material genético. Este logro de un biofísico británico, Francis H.C. Crick, y de un bioquímico estadounidense, James Watson, se basó en los datos de rayos X obtenidos por Maurice Wilkins en el King’s College de Londres. Cuando Crick acudió por primera vez al Laboratorio Cavendish para formarse en biofísica, trabajó bajo la dirección de Perutz; cuando Watson acudió al Cavendish, él y Crick iniciaron la colaboración que condujo al establecimiento de la estructura del ADN, por la que Watson, Crick y Wilkins recibieron posteriormente el Premio Nobel.
Gran parte del impulso a la investigación biofísica tras la Segunda Guerra Mundial provino del deseo de los físicos de alejarse de la física y adentrarse en la biología; este impulso se vio reforzado por la publicación en 1944 del libro de Erwin Schrödinger ¿Qué es la vida? Schrödinger, físico austriaco que contribuyó sustancialmente al desarrollo de la mecánica ondulatoria, estaba ansioso por determinar si los acontecimientos biológicos podían explicarse en términos de las leyes conocidas de la física y la química, o si una explicación completa requeriría la formulación de leyes físicas cuya existencia aún se desconoce. Como la reproducción biológica parecía plantear problemas insolubles, dedicó un capítulo de su libro a la consideración del gen. La discusión se basaba en el modelo propuesto por Max Delbrück, un físico que llevaba algunos años estudiando la genética de los virus que infectan a las bacterias (bacteriófagos). El curso de verano de Delbrück sobre los bacteriófagos, celebrado en 1945 en Cold Spring Harbor (Nueva York), puso en marcha la cadena de acontecimientos que condujo a la comprensión del código genético por el que la secuencia de los nucleótidos del ADN se traduce en la secuencia de aminoácidos de una proteína. El uso del bacteriófago también brindó la oportunidad de realizar experimentos con un organismo vivo primitivo que podía estudiarse sin complejidades anatómicas. Este aspecto de la biofísica se ha orientado más hacia la bioquímica a medida que se ha ido desarrollando y ahora se conoce como biología molecular; a veces se considera una disciplina distinta y otras veces se subsume en las ciencias biofísicas.
El impulso nervioso
Algunos aspectos importantes de la biofísica se han derivado de la fisiología, especialmente en los estudios sobre la conducción de los impulsos nerviosos. Un importante producto científico de la Segunda Guerra Mundial -el desarrollo de una electrónica enormemente mejorada- se derivó en gran medida de los dispositivos de radar que se habían utilizado principalmente para localizar aviones. Otro producto, la bomba atómica, se construyó mediante reactores nucleares que podían, en tiempos de paz, proporcionar un abundante suministro de isótopos radiactivos, que ahora son de gran valor no sólo en la investigación biofísica sino también en la bioquímica y la medicina. Estos dos avances dispares fueron importantes para el trabajo de dos premios Nobel, Alan Hodgkin y Andrew Huxley, que demostraron cómo el flujo de sodio y potasio a través de las membranas de los nervios puede acoplarse para producir el potencial de acción, un breve evento eléctrico que inicia el potencial de acción, que propaga la señal nerviosa.
El modelo del axón nervioso propuesto por Hodgkin y Huxley surgió de una confluencia de ideas del siglo XIX. Julius Bernstein, un neurofisiólogo experimental, utilizó las teorías físico-químicas para desarrollar una teoría de la conducción nerviosa a través de las membranas; los experimentos iniciales de Hodgkin se diseñaron para comprobar las predicciones específicas de la hipótesis de Bernstein. A principios de 1938, Hodgkin conoció los importantes resultados de una técnica recién desarrollada que permitía examinar el curso temporal de la conducción nerviosa. Tras la Segunda Guerra Mundial, Hodgkin, junto con Huxley, retomó la investigación. Presentaron su explicación del mecanismo de la conducción nerviosa en cinco artículos científicos entre octubre de 1951 y marzo de 1952.
Membranas biológicas
La disponibilidad de isótopos radiactivos proporcionó la tecnología necesaria para comprender cómo se transportan las moléculas a través de las membranas biológicas, que son los delgadísimos límites de las células vivas; el entorno mantenido por las membranas en las células difiere del entorno externo y permite la función celular. El fisiólogo danés August Krogh sentó las bases de este tema; su alumno, Hans Ussing, desarrolló los medios conceptuales que permiten identificar el transporte de iones (átomos cargados) a través de las membranas. La definición de Ussing sobre el transporte activo permitió comprender, a nivel celular, el modo en que los iones y el agua son bombeados dentro y fuera de las células vivas para regular la composición iónica y el equilibrio hídrico de las células, los órganos y los organismos. Sin embargo, aún no se ha descubierto el mecanismo molecular por el que se producen estos procesos.
Además de la función de transporte, las membranas también se utilizan como plantillas en las que moléculas como las enzimas, que deben funcionar de forma secuencial, pueden mantenerse en el orden requerido. Aunque se ha avanzado mucho en la comprensión de los mecanismos por los que determinados átomos se ensamblan en grandes moléculas biológicas, todavía no se conocen muy bien los principios que intervienen en el ensamblaje de las moléculas en las membranas, que son estructuras organizadas de mayor grado de complejidad que las grandes moléculas. Hay razones para creer que la incorporación de una molécula a una membrana la dota de propiedades que difieren de las de una molécula en solución. Una de las principales tareas de la biofísica es comprender el carácter físico de estas interacciones cooperativas que son esenciales para la vida.
La contracción muscular
A.V. Hill desarrolló unos sensores de temperatura exquisitamente sensibles para medir el calor generado durante la contracción muscular; inició los estudios que relacionaban este calor con los parámetros termodinámicos responsables del mismo. En los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, el microscopio electrónico hizo posible la descripción de la contracción muscular a nivel estructural, aunque todavía no se conocen los mecanismos implicados en el flujo de calor durante el proceso. Simultáneamente, en la década de 1960, pero de forma independiente, varios físicos postularon la teoría del filamento deslizante de la contracción muscular, según la cual los músculos se contraen por el deslizamiento de un filamento a lo largo de otro y no por un enrollamiento en forma de resorte. Los notables avances, basados en el uso de técnicas como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica, han permitido visualizar muchas de las moléculas que intervienen en el proceso. El proceso completo de la contracción muscular, en términos de identificación de las moléculas y de descripción de las reacciones químicas en la fibra muscular, se ha explicado casi por completo.
Comunicación sensorial
Los anteriores son algunos ejemplos concretos del alcance de la biofísica. Un ámbito, difícil de tratar en términos específicos, es el de la comunicación sensorial. Dado que los estímulos, especialmente los de naturaleza visible o auditiva, pueden especificarse fácilmente en términos físicos exactos, han despertado el interés de los físicos desde antes de 1850. Las técnicas electrónicas modernas permiten distinguir con relativa facilidad las señales verdaderas del ruido; además, los ordenadores hacen posible la realización de importantes experimentos sobre la compleja relación entre estímulo y acción. Sin embargo, el análisis cuantitativo de la respuesta sensorial es muy difícil, porque implica una síntesis de la acción de muchas células.