Capítulo 1: Concepto y contenido de la Fisiología

La especie humana es espectadora maravillada y única, tal vez, de todo lo que existe. En ausencia de los mecanismos cerebrales que hacen posible el estado consciente, el cosmos sería un teatro inmenso y cambiante, pero sin espectadores. Con la ayuda de muy diversas ciencias (Astronomía, Matemáticas, Física, Geología), podemos reconstruir a grandes rasgos los cambios ocurridos en el Universo durante miles de millones de años, hasta llegar al momento actual. Todo cambia y los seres vivos no somos una excepción. Desde sus inicios hasta el presente, la vida ha ido desenvolviéndose en un espacio de la corteza y atmósfera terrestre que denominamos biosfera. El tema central que integra todos los conocimientos actuales en el ámbito de la Biología es la evolución. Los organismos vivos que contemplamos en la actualidad son el resultado de un proceso de génesis, modificación y selección ocurrido a lo largo de más de 3500 millones de años. Por su parte, el conocimiento más preciso y elaborado que hemos adquirido hasta este momento sobre los seres vivos es el de la naturaleza molecular de la herencia. Frente a esto, los grandes retos de la Biología de nuestro tiempo son los que nos plantean el desarrollo y la cognición. El desarrollo es el mecanismo mediante el cual se forma un ser vivo de una extraordinaria complejidad estructural y funcional a partir de la información contenida en el genoma de su especie. A su vez, el proceso cognitivo es el fruto de la actividad cerebral y su estudio representa —con toda probabilidad— la última frontera a la que ha de acceder la ciencia del siglo xxi. Así pues, el estudio experimental de cómo funciona el organismo humano, sobre todo en lo que respecta a los procesos que hacen posible las funciones superiores del cerebro, es objeto de interés particular y se sitúa en los límites de las teorías del conocimiento. Dado que nuestro cerebro está construido con el mismo material que compone el Universo, parece razonable que si somos capaces de entender éste también con el tiempo entenderemos aquél.

¿Qué función representa o cuál es el sitio de la Fisiología en el estudio de los seres vivos? Aristóteles llamó fisiólogos a los seguidores de la escuela filosófica de Mileto, porque éstos pensaban que todo lo que existe (phýsis: naturaleza, lo que surge o brota) está insuflado por un idéntico espíritu creador y, más importante, que la Naturaleza es inteligible (lógos: tratado, razón) por el ser humano. Desde una perspectiva contemporánea, la Fisiología trata de explicar la lógica funcional del estado viviente. En palabras de B.A. Houssay, “la Fisiología es la ciencia que estudia los fenómenos propios de los seres vivos y las leyes que los rigen”. El fisiólogo se acerca a los seres vivos armado de una pregunta elemental y repetida: ¿cómo funciona? El lector tendrá noticia de cómo otras ciencias de la vida (Biofísica, Biología molecular, Bioquímica) tratan de explicar los procesos celulares, subcelulares y macromoleculares que subyacen a los fenómenos vitales. El fisiólogo debe ofrecer una perspectiva de conjunto. Los seres vivos no sólo nos sorprenden por su complejidad, sino también por su individualidad, por su delimitación morfofuncional del entorno en el que viven. Los biólogos moleculares utilizan sus poderosas herramientas experimentales para “desentrañar” y reducir a partes inteligibles el complejo entramado que es un ser vivo. Si el leitmotiv de la Biología es la evolución, el de la Biología molecular es el de explicar cómo las interacciones entre biomoléculas producen el estado viviente. La Fisiología se ocupa de dos aspectos en particular no mencionados hasta aquí: la regulación y la integración. Se trata de entender cómo se coordinan e integran todos los procesos vitales para dar lugar a un ser vivo individualizado capaz de interaccionar con sus semejantes y con su entorno animado o inerte.

Más adelante se presenta el armazón conceptual en que se apoya la Fisiología del momento y algunos aspectos de interés históricos. Se presenta también una visión integradora de los conceptos actuales sobre los seres vivos y sobre el objeto de estudio de la Fisiología, esto es, los procesos fisiológicos. Por último, se delimitan las nociones de equilibrio biológico, regulación e integración que pueden ser muy útiles al lector como marco de referencia para relacionar y unificar el variado contenido que le ofrece una obra de esta naturaleza.

En su significado actual, el término fisiología fue usado por vez primera por J. Fernel en 1542, en el sentido de conocimiento y estudio de la naturaleza viva; a partir de entonces el término se aplicó al estudio de las actividades vitales de seres humanos sanos. La ciencia de la Fisiología se conformó a lo largo del siglo xix, desde el punto de vista experimental y conceptual. En ese siglo se crearon importantes centros para el estudio científico de las funciones de los seres vivos, se publicaron elaborados compendios de los conocimientos fisiológicos de la época y se comenzaron a publicar revistas de la especialidad, muchas de las cuales han llegado hasta nuestro tiempo.

¿Qué estudia la Fisiología?

El concepto actual de Fisiología es en parte similar al expresado por C. Bernard hace más de 100 años. En general y para la mayoría de los autores, la Fisiología es la ciencia que estudia los procesos fisicoquímicos que ocurren en los seres vivos así como entre éstos y su entorno. De acuerdo con lo señalado, el peso específico de lo que es Fisiología recae sobre el término proceso. Porque un bioquímico también estudia los fenómenos vitales de los seres vivos desde una perspectiva química y un biofísico hace algo parecido desde una perspectiva física. Y sin embargo, la Fisiología no es una suma o integración de Bioquímica y Biofísica. Al fisiólogo le interesa el carácter dinámico y funcional de lo que ocurre en los seres vivos. Se entiende por proceso las fases sucesivas de un fenómeno, por tanto, un proceso fisiológico es una sucesión de estados diferentes, y lo que cambia a lo largo de él recibe el nombre de flujo.

¿Qué se entiende por proceso fisiológico?

La Fisiología estudia los flujos de materia, cargas, energía e información que de forma continua, rítmica o transitoria ocurren en los seres vivos y en las relaciones de éstos con el mundo circundante. Cualquier ejemplo que se piense de un fenómeno fisiológico (respiración, filtración glomerular, absorción intestinal, comunicación intercelular) es un flujo en sus últimas consecuencias (flujo de oxígeno y anhídrido carbónico; flujo de sodio, potasio y agua; flujo de glúcidos, lípidos y prótidos; flujo de mensajes químicos). Los procesos fisiológicos se mantienen a lo largo de la vida del individuo o durante fases específicas de ésta. Son procesos que nunca llegan al equilibrio que se alcanza en un tubo de ensayo, ya que esto significaría la desaparición de su función y en muchos casos la muerte del individuo.

El concepto de flujo conlleva dos aspectos relacionados entre sí. En primer término, la presencia de un flujo de materia, cargas o energía supone la existencia de una estructura molecular (p. ej., una membrana plasmática semipermeable) como elemento espacial necesario para el mantenimiento del gradiente que lo haga posible. Pero de acuerdo con el segundo principio de la Termodinámica, ni gradientes ni estructuras pueden mantenerse espontáneamente en un Universo en desorganización; por tanto, un flujo supone también, en segundo término, la presencia de una fuente de energía metabólica (sobre todo el trifosfato de adenosina [ATP], que proviene en última instancia de los alimentos ingeridos) encargada de crear y mantener el gradiente necesario y la estructura a través de la que el flujo tiene lugar. Por ejemplo, para mantener un gradiente adecuado de oxígeno en los alvéolos pulmonares y facilitar su paso a la sangre a un ritmo suficiente es necesario consumir energía no sólo en los movimientos respiratorios, sino en el mantenimiento continuado de la estructura alveolar, de la síntesis de glóbulos rojos y hemoglobina, etc. Que el balance neto de tan complejas relaciones funcionales sea rentable a los organismos es una de las consecuencias del admirable orden biológico que los caracteriza.

De lo dicho se deduce que la Fisiología posee una connotación funcional, referente a la presencia de gradientes, flujos y estados estables de desequilibrio y una connotación estructural, referente a la existencia de membranas celulares, compartimientos y otras especializaciones morfológicas. Ambos significados hacen referencia tanto al organismo en sí, como a las relaciones de éste con su entorno físico (ingesta de alimentos, eliminación de desechos, etc.) y social (exploración, comportamiento agonístico, etc.). Conforme avance en la lectura de este libro, advertirá que es difícil imaginar un proceso fisiológico en el que no intervenga una estructura determinada, un gradiente creado a través, así como una fuerza conjugada que lo mantiene en estado estable; la existencia de flujos transitorios, cíclicos o continuos, es la consecuencia de esta situación.

Tal es el núcleo diferenciador de la Fisiología como ciencia experimental. Pero como se apuntó en la Introducción, en esta ciencia es fundamental una perspectiva integradora. Y ello no sólo porque su objetivo comprende también el estudio de los procesos de regulación e integración en el organismo completo. La razón principal es que los procesos fisiológicos, aunque se pormenorizan por razones experimentales o didácticas, sólo adquieren un significado biológico cuando se consideran en el organismo completo.

El organismo es un todo individual, separado por su envoltura epidérmica del medio físico que le rodea y, al tiempo, en continuo contacto con él. Todo en el organismo está en renovación continua: los flujos, los gradientes, las estructuras e incluso, las biomoléculas y otros materiales inertes que forman dichas estructuras o que constituyen gradientes y flujos. Sin embargo, el organismo se mantiene individualizado como tal a todo lo largo de su proceso vital (figura 1-1).

Dado que la Fisiología estudia las características funcionales de los seres vivos, parece conveniente si no definir, al menos delimitar los rasgos principales que los caracterizan.

La materia existe en diversos estados de organización: partículas elementales, átomos, moléculas, agregados moleculares, biomoléculas, orgánulos celulares, células, tejidos, órganos y aparatos, organismos y sociedades. A partir de cierto grado de complejidad, pero en un punto no definido de entre los diversos estados de agregación de la materia, se considera que ésta tiene una propiedad que caracteriza a los seres vivos.

El origen de la vida

En la actualidad, muchos científicos sostienen que la vida se originó en los océanos de hace unos 3500 millones de años. En esa sopa primordial, es factible que hubiese abundancia de moléculas relativamente complejas (aminoácidos, nucleótidos, etc.) susceptibles de polimerizarse y formar cadenas moleculares (péptidos, polinucleótidos, etc.) precursoras de las biomoléculas observables en la actualidad. La escasa disponibilidad de oxígeno en esas etapas geológicas hacía viable la acumulación de tales sustancias. Para que las moléculas puedan interaccionar entre sí es necesaria su proximidad física (a lo que se opone la fuerza de disipación del solvente) y la presencia de catalizadores. En ese momento fue primordial la existencia de moléculas anfóteras capaces de formar cúmulos en el medio acuoso y de delimitar un espacio interno hidrofóbico y una superficie hidrofílica en contacto con el agua. Parece que la bicapa lipídica que caracteriza a la membrana plasmática celular ha tenido una participación crucial en el origen y perpetuación de la vida como la conocemos hoy. En el interior de estas vesículas las sustancias prebióticas habrían podido interactuar y concentrarse; incluso, alguna de ellas pudo comenzar a representar el papel de catalizador. Al tiempo, la formación de cadenas estables de ácido desoxirribonucleico (ADN) haría posible la multiplicación celular, manteniéndose así el principio fundamental de que el ser vivo siempre está delimitado físicamente de su entorno, manteniendo en su interior los códigos funcionales para sobrevivir y reproducirse, pero, al mismo tiempo, capturando de su alrededor los elementos materiales necesarios para su supervivencia.

La separación de funciones y su especialización durante el transcurso de la evolución ha ido ligada a la creación de compartimientos. El paso de procariotas a eucariotas supuso un aumento del orden interno celular, con la definición y delimitación de espacios subcelulares y con una adecuada separación del núcleo celular, como elemento gestor del comportamiento celular, pero definitivamente separado del mundo exterior. Los seres multicelulares así como el hombre, repiten de modo extremadamente complejo el mismo esquema. Aunque el ser humano está formado por más de 10 × 10¹³ células, la piel delimita un medio interior, separado del entorno y regulado de modo activo al objeto de mantenerlo estable. Además, existe asimismo un mundo interior representado fundamentalmente por el cerebro, encargado de elaborar estrategias y comportamientos con los que pueda adecuarse al siempre cambiante entorno; no obstante, en esta situación, el elemento gestor está también aislado del medio externo, con el que se comunica a través de los receptores sensoriales y sobre el que actúa con los distintos tipos de efectores, en particular, con el músculo estriado.

¿Qué es la vida?

En el cuadro 1-1 se muestra un resumen de los atributos fundamentales que, según 12 prestigiosos fisiólogos, bioquímicos, genetistas y filósofos de los siglos xix, xx y xxi, caracterizan a la materia viva. Del análisis detenido de dicho cuadro se pueden extraer interesantes conclusiones.

En primer lugar, a pesar de que más de 100 años separan al primer autor mencionado del más reciente, la relación de las características fundamentales de los seres vivos propuestas por los 12 autores seleccionados es bastante reiterativa y se resume en: reproducción, nutrición, organización, crecimiento, propósito específico, excitabilidad, motilidad y adaptabilidad.

Es curioso que los autores incluidos en el cuadro más alejados de las ciencias de la vida (filósofos, matemáticos y físicos) sean quienes señalan como específicos de los seres vivientes tres aspectos que no parecen llamar la atención de sus compañeros más próximos, por su formación a la Biología. Dichos tres aspectos son excitabilidad, motilidad y capacidad de adaptarse al medio circundante. Los fisiólogos clásicos (J. Loeb y J.B.S. Haldane) al describir las propiedades fundamentales de los seres vivos hacen un mayor hincapié en su capacidad de sintetizar materiales específicos a partir de otros materiales inespecíficos y más desorganizados. En cambio, los biólogos moleculares y genetistas destacan más los aspectos relacionados con las biomoléculas y con los mecanismos de multiplicación y herencia con modificación.

En resumen, quizá de todos los intentos indicados para describir las propiedades fundamentales de los seres vivos, la síntesis más acertada sea la realizada por C. Bernard: reproducción, nutrición e idea directriz serían para él los elementos característicos y específicos de la materia viviente.

Una perspectiva integradora

Desde una perspectiva termodinámica, los seres vivos son sistemas abiertos en continuo intercambio de materia, energía e información con el medio que les rodea; se encuentran, por tanto, en un estado de desequilibrio permanente (estado estable), sometidos a un proceso continuo de renovación de todos los materiales que lo forman, sin que por ello pierdan su identidad. La constante de equilibrio del estado estable es siempre distinta de la constante pasiva del sistema del que forma parte. En estado inerte, el sistema caerá a su constante de equilibrio pasiva. La vida no es la instauración o el mantenimiento de un equilibrio, sino el continuo mantenimiento de desequilibrios.

Otra característica fundamental de los seres vivos es que están más organizados que el medio que les rodea y que mantienen esa situación a lo largo de sus vidas. Para ello presentan niveles sucesivos (genético, conductual y abstracto) de adaptación al medio externo. No son, por otra parte, máquinas automáticas que respondan de modo pasivo y reflejo a los estímulos del entorno, sino más bien entidades capaces de resolver problemas de modo activo y con soluciones adaptadas e inesperadas. Los seres vivos unicelulares están muy limitados al espacio físico que les rodea, pero los animales multicelulares son grandes exploradores de su entorno, adaptándose a muy diversos nichos biológicos. En este sentido, conviene recordar que el comportamiento de los animales y del ser humano no sólo funciona para eliminar tensiones, sino que también tiende a crearlas, por motivos más o menos definidos. Estos diversos programas conductuales proceden de su mundo interior y son susceptibles de ser modificados según las circunstancias (adaptaciones conductual y abstracta) o mediante herencia con variación (adaptación genética).

En el marco conceptual esbozado hasta aquí, es más fácil situar el objeto de la Fisiología: el estudio de los estados estables de desequilibrio mantenidos de forma activa en y por los seres vivos. En este apartado se considerarán algunos conceptos básicos que ayudarán al lector a entender las líneas maestras de la organización funcional de los animales y del ser humano.

Orden biológico

Existe un cuádruple orden subyacente a la principal característica de los animales que es, como ya se ha mencionado, la organización. Este orden se manifiesta desde los puntos de vista estructural, funcional, informativo y biológico. El orden estructural hace referencia a las formas, a la compartimentación, a la ordenación espacial de órganos, aparatos y sistemas. El orden funcional hace referencia a la dinámica de los fenómenos vitales, al trasiego continuo de nutrientes y metabolitos. El orden informativo se refiere al flujo de códigos y mensajes. En ocasiones se afirma que la Fisiología se ocupa del estudio de las propiedades energéticas y funcionales de los organismos, mientras que la Morfología lo hace de sus formas. Pero como se apuntó con anterioridad, el orden funcional es irreal (ideal) sin una sustancia material que le sirva de soporte. Por otra parte, la significación de un mensaje, su especificidad o modalidad, depende de la ruta por la que circula, de su lugar de procedencia y destino, pero no de las características físicoquímicas del transmisor, mensajero o receptor. Sirva de ejemplo que el neurotransmisor acetilcolina transmite mensajes muy distintos al músculo estriado, al músculo cardiaco y a las neuronas talámicas o corticales. Por tanto, es en el orden biológico en el que ocurren los procesos que aquí se califican de fisiológicos. El orden biológico encierra una adecuación real entre estructura y función y, al tiempo, confiere significado a los mensajes de origen nervioso y endocrino, permitiendo una aproximación completa al estudio de la lógica funcional de los seres vivos.

A muy largo plazo, el orden funcional incide sobre el estructural ya que las soluciones biomecánicas viables suelen ser limitadas. Por ejemplo, a lo largo de la evolución el vuelo ha sido inventado en al menos cuatro ocasiones (pterosaurios, insectos, aves y murciélagos) y la solución fue siempre la incorporación de extensiones ligeras y movibles colocadas a ambos lados del cuerpo.

Significado biológico

Un aspecto importante de los procesos fisiológicos es su significado biológico. Todo proceso fisiológico forma parte de una función global que está integrado en un todo que es el organismo; ese ser vivo en el que dicho proceso tiene lugar. El significado biológico de un proceso fisiológico es el análisis de su contribución al funcionamiento del organismo completo y su sentido dentro del mismo.

El análisis del significado biológico de un proceso fisiológico debe realizarse con gran cautela, ya que se corre el riesgo inminente de incurrir en interpretaciones erróneas. Una actitud teleológica en la explicación de los fenómenos vitales es siempre desaconsejable, sobre todo si se pretenden dilucidar las funciones fisiológicas como si todas tuvieran un sentido preciso y estuvieran orientadas al mejor rendimiento del organismo. La pregunta “¿para qué sirve...?”, suele ser perniciosa en Fisiología: en primer lugar, tiene sentido si se aplica a un órgano (¿para qué sirve el hígado?), pero lo pierde cuando se alude a un organismo (¿para qué sirve un elefante?). En cualquier caso, esta cauta actitud al enjuiciar el significado de un proceso fisiológico no supone la inexistencia de un proyecto vital presente en los seres vivos (idea directriz, teleonomía, propósito específico; veáse el cuadro 1-1), pero sí un aviso de prudencia. En lo posible, el recurso a las explicaciones finalistas (el sueño existe para recuperarse de la vigilia) y antropomorfas (los elefantes existen para que los niños disfruten en el parque zoológico) debe ser evitado, sobre todo si la función bajo estudio se puede analizar y explicar en términos más parsimoniosos.

Reduccionismo, vitalismo y emergentismo

Otro aspecto importante relacionado con los seres vivos se puede plantear de este modo: ¿hay algo particular y específico en la materia viva que la haga distinta de la materia inerte (inanimada)? Es una pregunta cuya respuesta no sería unánime entre los fisiólogos contemporáneos, ya que los vitalistas piensan que la materia viva es portadora de propiedades no presentes en la materia inanimada. El vitalismo fue ya duramente refutado por los filósofos materialistas del siglo xviii, y vuelto a contestar por positivistas y marxistas en los siglos xix y xx. Quizá hoy está en su punto más bajo de aceptación, pero de un modo u otro siempre impregna o se infiltra en el pensamiento biológico.

Un avance importante de las ciencias biológicas más actuales ha sido la posibilidad de explicar ciertas funciones con apariencias de propósito o finalismo usando para ello métodos y concepciones propios de la Física y la Química. Por su parte, teóricos de las ciencias biológicas como L. von Bertalanffy no han dudado en explicar las diferentes propiedades de la materia animada y de la inerte a partir de conceptos extraídos de la termodinámica de procesos irreversibles aplicada a los sistemas abiertos. Así, por ejemplo, la tendencia a alcanzar un peso determinado en una rata adulta, con cierta independencia de las vicisitudes ambientales, es una propiedad —que él denomina equifinalidad— del estado estable que caracteriza a los seres vivos (figura 1-2).

Aunque el recurso al vitalismo parece hoy innecesario, sigue rondando la cuestión de que los sistemas complejos manifiestan propiedades no deducibles del análisis reduccionista de sus partes. Así, cada nivel de integración de los organismos (biomoléculas, células, tejidos, órganos, aparatos, sistemas, organismo y sociedades) presenta características propias. Por ejemplo, al igual que no se puede deducir el Código Penal de los conocimientos neuropsicológicos disponibles, tampoco es aceptable pensar que es posible deducir la conducta maternal a fenómenos descriptibles en los niveles celular y molecular. La clásica afirmación de que “el todo es más que la suma de sus partes” no encierra ningún misterio inasequible al método experimental; indica más bien que los sistemas complejos compuestos de elementos múltiples y con grandes probabilidades de interacción muestran posibilidades de funcionamiento que no son fáciles de deducir a partir del estudio de sus componentes. Por lo tanto, cada nivel de integración puede presentar principios funcionales con dificultades predecibles desde los niveles inferiores. Esta interpretación es particularmente válida para el estudio y entendimiento de lo que se ha dado en llamar funciones cerebrales superiores, como el aprendizaje, el pensamiento o las emociones.

Descripción frente a explicación

En este apartado se insiste de nuevo sobre la importancia de situar los conocimientos fisiológicos en los niveles de integración en los que se describen o explican. Los diversos procesos fisiológicos se pueden describir, es decir, señalar lo que son o en qué consisten. Por ejemplo, describir las acciones de la hormona adrenalina en los distintos tejidos o las características eléctricas del potencial de acción. En el primer caso, la descripción es a nivel tisular, en el segundo a nivel celular. Pero ya se ha señalado que lo que importa desde el punto de vista fisiológico es explicar cómo funciona: de qué forma actúa la adrenalina sobre las células que forman esos tejidos o cuál es el mecanismo mediante el cual diversos tipos de canales iónicos localizados en la membrana plasmática producen el potencial de acción. Note que la explicación ocurre según lo dicho en un nivel inferior a aquel en que se realiza la descripción. Para la adrenalina la descripción es a nivel tisular y la explicación a nivel celular; mientras que para el potencial de acción la descripción es a nivel celular y la explicación a nivel molecular.

Así, existen distintos niveles de explicación. Pero es muy importante darse cuenta que explicar un mecanismo a nivel celular puede ser muy similar a describirlo a nivel molecular; es decir, lo que es explicación a un nivel es descripción en el nivel subyacente. Para cualquier estadio del conocimiento fisiológico, siempre conviene buscar la explicación correspondiente en el nivel inferior al fenómeno que se describe. Cuanto más profundo sea el conocimiento, más básico será el nivel en el que es factible explicar el mecanismo de un proceso fisiológico determinado. Pero, como norma general, en la interpretación de cómo funciona un sistema biológico no se pueden saltar con impunidad los distintos niveles de integración.

Conceptos de medio intracelular, medio interno y medio externo

Como ya se ha sugerido, el antecesor común a procariotas y eucariotas tuvo que disponer de una envoltura o membrana plasmática que delimitase su interior del mar inmenso donde se encontraba. Esto permitiría las interacciones bioquímicas entre elementos almacenados de manera selectiva en el interior celular, tras su captación del medio extracelular. Ciertos materiales captados del medio externo podrían ser utilizados en la obtención de materiales y energía para los procesos metabólicos. En esta situación el genoma responsable de la supervivencia de la célula y de su multiplicación queda físicamente separado del medio acuoso en el que las células se encuentran. Hemos de suponer que el medio externo marino permitiría la supervivencia celular, por lo que las células podían interaccionar con su entorno sin estar sometidas a grandes variaciones en la disponibilidad de nutrientes o en otras variables ambientales (pH, temperatura, presión osmótica).

Hace unos 300 a 400 millones de años se inició la colonización de la tierra firme por plantas, insectos y anfibios. El medio aéreo terrestre obligó a estas especies al diseño de un medio interno (referido a temperatura, pH, presión osmótica, gases sanguíneos, concentración de determinados iones y disponibilidad continuada de nutrientes) similar en su estabilidad al medio marino de aquella era geológica. Fue C. Bernard a mediados del siglo xix quien llamó la atención de la constancia del medio interno que baña todas las células, frente a la variabilidad de las condiciones observables en el medio externo. El sentido biológico de este medio interno es ofrecer a todas las células del organismo un medio estable del que toman las sustancias que necesitan y al que arrojan sus productos de desecho, sin que por ello se consuman o acumulen las sustancias, sino que todas se mantienen en las concentraciones necesarias para hacer posible los gradientes y flujos que las células necesitan. Dicha capacidad se mantiene incluso frente a grandes variaciones en el medio externo, esto es, en el entorno físico del individuo. No fue hasta 1926 en que un fisiólogo (A. B. Macallum) observó que el medio interno de los animales terrestres presenta una composición iónica similar a la del agua marina. Así, para sobrevivir en la superficie terrestre los seres vivos se vieron en la necesidad de proveerse de una envoltura similar a aquella en la que había surgido la vida. Esto es perfectamente comprensible para quienes estamos habituados a ver los viajes espaciales de la era moderna, en los cuales el astronauta sólo puede salir de la atmósfera terrestre envuelto en un medio externo protector que en todo simula la biosfera a la que sus antepasados accedieron hace varios centenares de millones de años.

Conceptos de homeostasis y homeocinesis

El concepto de medio interno fue decisivo en el desarrollo de la Fisiología del siglo xix, ya que ofreció una estructura de referencia en la que insertar sucesivos descubrimientos relativos sobre todo a los procesos metabólicos (anabolismo y catabolismo), a la respiración tisular y a las diversas funciones de los sistemas excretores. Asimismo, el medio interno se reveló como un sistema en el que es posible el envío de mensajes químicos de carácter regulador que pueden acceder con prontitud y simultaneidad a todas las células que componen un organismo.

La estabilidad del medio interno requiere la presencia de complejos mecanismos fisiológicos que se encargan de mantener las distintas concentraciones o valores dentro de unos límites adecuados para la supervivencia. En el decenio de 1830-1839, W.B. Cannon propuso el término de homeostasis (de hómoios: parecido y stásis: detención) para indicar la uniformidad y estabilidad del medio interno frente a un entorno siempre cambiante. Sin embargo, para el concepto de proceso fisiológico presentado aquí, el término “homeostasis” tiene una significación estática referida con preferencia a concentraciones o valores estables, olvidando el carácter eminentemente dinámico de los procesos fisiológicos. Así, por ejemplo, se puede considerar que el valor regulado es una determinada concentración de glucosa en sangre (algo menos de 1 g/L), cuando sería más interesante considerar el flujo continuo a que está sometida dicha molécula, desde los procesos alimentarios y digestivos, pasando por los mecanismos de almacenamiento y liberación hasta llegar al gradiente mínimo necesario para que esté disponible en condiciones para los distintos tejidos. Este carácter dinámico que se regula realmente (flujos, gradientes) está implícito en el concepto de homeocinesis.

Los procesos fisiológicos están regulados por otros procesos y todos ellos se integran en la unidad que forma cada organismo el cual, a su vez, interactúa con su entorno, con su medio externo, obteniendo de ahí los materiales y la energía que necesita para mantener su propia organización interna. Hay entonces un continuo contacto y relación entre los fenómenos vitales que ocurren de manera simultánea en el organismo, así como un permanente intercambio entre el organismo y su entorno.

De lo anterior se desprende que es un tanto artificioso tratar de entender los procesos fisiológicos separados de la totalidad del organismo y a éste del medio en el que se desenvuelve. Pero se hace así para explicarlo con mayor sencillez o para estudiarlos con mayor facilidad y mejor control experimental; después (y en ambos casos) es preciso reintegrarlos y buscar su significado biológico en la totalidad del ser vivo. En nuestros días, las técnicas experimentales y el propio diseño de la investigación biológica tiende a usar una aproximación de arriba→abajo, esto es, buscando casi siempre la explicación molecular de un fenómeno observado a cualquier nivel de integración superior al de las biomoléculas. El trabajo del fisiólogo es en cierta forma parecido al de Sísifo, condenado por Zeus a empujar sin cesar una piedra enorme hasta la cima de una montaña, pero justo al llegar arriba la enorme roca rodaba ladera abajo sin remisión. Como ya se ha señalado, el reduccionismo no es la imagen invertida de la integración de conceptos, en particular por la presencia de propiedades emergentes impredecibles, que sólo se ponen de manifiesto en el funcionamiento del sistema al completo.

Regulación intracelular

La célula es la unidad morfofuncional básica de los seres multicelulares y, como ya se indicó, presenta características básicas que se amplifican en los animales superiores. Sin embargo, un protista (por ejemplo, un paramecio) a pesar de ser unicelular, es capaz de presentar una compleja conducta de interacción con su medio físico, sus semejantes, sus predadores y presas. En resumen, las células ya presentan mecanismos internos de regulación de sus procesos metabólicos que tan vitales serán para los seres multicelulares. Ejemplo de ello es la presencia de enzimas alostéricas (es decir, con dos estados) susceptibles de ser reguladas por la concentración de producto sintetizado por la cadena metabólica de la que la propia enzima es parte inicial. Este sistema regulador de la síntesis de determinados productos intracelulares es una versión simplificada, pero no por ello menos útil, de los sistemas de regulación por retroalimentación negativa que se explican más adelante. Otro ejemplo de regulación intracelular es el descrito en 1959 por F. Jacob y J. Monod en la bacteria Escherichia coli; estos autores identificaron la presencia de proteínas represoras de la síntesis de determinadas enzimas en ausencia de los sustratos que justifiquen su actividad. En este caso, se hace una previsión de las necesidades de síntesis de cadenas de enzimas, manteniendo abierta la posibilidad de sus síntesis en función de las disponibilidades de sustrato en el entorno de la bacteria.

Por otra parte, la célula dispone de transportadores de membrana que regulan la entrada de solutos con o sin carga en su interior, así como de mecanismos para su almacenamiento y utilización. Naturalmente, todos estos procesos activos de creación de gradientes y diferencias se realizan con el consumo de energía metabólica en forma de ATP.

Regulación del medio interno

Así, los animales repiten (de manera amplificada y con mayor complejidad) sistemas de regulación y control ya presentes en los seres unicelulares así como en las propias células que los integran. Los mecanismos homeostáticos (u homeocinéticos) mantienen la constancia del medio interno por la acción coordinada de muy diversos mecanismos. La mayoría de estos procesos fisiológicos reguladores siguen el diseño de los sistemas de retroalimentación negativa. Cuando el valor de una variable se sitúa por encima o debajo del valor deseado (el cual depende, a su vez, de otras necesidades y pulsiones) se pone en marcha un mecanismo regulador que inhibe su síntesis o la potencia. El lector hallará ejemplos de estos sistemas de regulación en el capítulo 77, en el que se explica la regulación endocrina de los niveles sanguíneos de glucosa. También encontrará ejemplos detallados de los sistemas de regulación por retroalimentación en los capítulos 87 y 90, al hablar de la regulación corporal de la temperatura así como la ingesta de alimentos y agua.

En determinados procesos como la fase inicial del potencial de acción (capítulo 4) o los estadios iniciales de la ovulación (capítulo 92) se ponen en marcha mecanismos de retroalimentación positiva mediante los cuales se favorece el incremento de un proceso o función. Por ejemplo, una despolarización relativamente pequeña de la membrana plasmática de una célula excitable puede producir la apertura de canales iónicos para el ion sodio, que penetra en la célula siguiendo su gradiente de concentración. La entrada de sodio al interior celular despolariza la célula más todavía, lo que produce la consiguiente apertura de nuevos canales de sodio, etcétera.

Como se indicaba antes para E. coli, los animales disponen también de múltiples mecanismos de previsión de sucesos de probable ocurrencia. Estos mecanismos de anteroalimentación (positiva o negativa) existen desde las cadenas metabólicas hasta los procesos de comunicación y coordinación neuronal. Un ejemplo de este último es el incremento de la frecuencia cardiaca y de otros parámetros de la función cardiovascular, en anticipación a un ejercicio físico inminente (veánse capítulos 44 y 45). Por otra parte, la propia actividad de complejas estructuras nerviosas como el cerebelo parece regirse por la utilización de sistemas de regulación por alimentación anterógrada (veáse capítulo 9); mediante estos mecanismos se hace una previsión de cuál va a ser el estado del sistema neuromuscular inmediatamente después de iniciado un movimiento y se ponen en marcha con antelación órdenes nerviosas correctoras.

Aunque es normal que los términos “regulación” y “control” se usan como sinónimos, debería reservarse el uso de “regulación” para los mecanismos homeostáticos automáticos. La regulación inconsciente del medio interno libera al individuo de tener que controlarlos con mecanismos de atención conscientes, por lo que éstos se destinan por completo a los procesos interactivos con el medio externo físico y social. “Control” debería utilizarse para hacer referencia a actos conscientes o deliberados, destinados a intervenir en una situación que afecte de un modo u otro a los intereses del individuo.

Integración de procesos y funciones

Un animal no es un rompecabezas que se pueda reconstruir pieza a pieza, sino un complejo entramado de estructuras y funciones relacionadas en tiempo y espacio a muy diversos niveles de integración. Existen más de 200 tipos celulares diferentes, sin contar los presentes en el sistema nervioso, los cuales cumplen funciones distintas y complementarias, de modo que es necesario que su contribución se coordine con las necesidades reales del conjunto, esto es, del individuo. Los sistemas nervioso y endocrino son los encargados de regular el conjunto, aunque existen muchos sistemas de regulación presentes en el interior de las propias células, en microambientes locales, etc. Además, procesos y funciones se activan o desactivan en función de circunstancias ambientales, condicionamientos sociales, situaciones de emergencia, etc. De manera particular la última sección del libro considera situaciones del entorno físico, individuales y sociales en las que la compleja maquinaria orgánica interviene como un todo.

Rangos funcionales, aclimatación y adaptación

Cada variable fisiológica permite una determinada variación en relación con su valor medio. El rango de esta variación depende de muchos factores y no es igual para todas las variables conocidas. Por ejemplo, el pH sanguíneo acepta muy limitados cambios sobre su valor medio. Otras estructuras presentan un mayor factor de seguridad. El tubo digestivo puede ser resecado hasta casi la mitad de su longitud sin comprometer la supervivencia del individuo. Esto no quiere decir, como se advirtió antes, que se pueda interpretar como superfluo en 50%; basta apreciar la notable mejora en la alimentación humana en los últimos 50 años y la situación alimentaria para nuestra especie hace 5000 años. Pero sí es cierto que los factores de seguridad para determinadas estructuras, funciones y estados son muy diferentes.

Existen mecanismos en el organismo que pueden ser activados para aclimatarlo a situaciones ambientales muy distintas de las usuales; un ejemplo es el proceso de adaptación a la altitud (veáse capítulo 55). Estos mecanismos pueden ser muy dispares entre sí y ponerse de manifiesto a corto, medio o largo plazos. Por ejemplo, en la regulación de la temperatura corporal intervienen procesos fisiológicos celulares (modificación de la actividad mitocondrial), regionales (vasodilatación, vasoconstricción), mecanismos hormonales (mayor o menor liberación de hormona tiroidea) o el individuo completo (ponerse a la sombra o al sol).

El término adaptación debe reservarse para aquella situación en que se produce un cambio en el genoma de una especie que supone alguna ventaja para los individuos que lo heredan. Tal vez tenga también valor adaptativo la presencia de estructuras y funciones carentes de sentido biológico. Esta indefinición morfofuncional las hace susceptibles de una utilidad en potencia, si se presenta el caso.

Debido a sus orígenes anatómicos y médicos, es tradicional que los manuales de Fisiología humana sean organizados siguiendo los distintos órganos, aparatos o sistemas. En este sentido, este manual no es una excepción. Sin embargo, se recomienda al lector que trate siempre de hacer una integración mental de lo que lee, rescatando lo que es funcional de su soporte estructural. Así, las secciones sucesivas dedicadas al sistema nervioso, sistema circulatorio y sistema digestivo deben también entenderse en términos de procesamiento de información, transporte, nutrición y metabolismo. La amplia información disponible acerca de la Fisiología humana obliga a seguir una sistematización en su presentación, lo que supone un cierto carácter disgregador. No obstante, con la lectura progresiva se obtiene de forma gradual una perspectiva de conjunto. Los datos, descripciones e interacciones localizadas representan primeros planos o breves escenas que sólo toman un sentido completo una vez terminada la lectura del libro.

Aunque esta obra se centra en el estudio de la Fisiología humana, es evidente que muchos de los datos y mecanismos que aquí se describen proceden de estudios experimentales realizados en especies próximas a la humana. En realidad, innumerables procesos, funciones y mecanismos son básicamente similares para todas las especies animales. Y en lo referente a las diferencias, siempre será un método excelente buscar el entendimiento del funcionamiento de nuestro organismo de un modo más completo si antes se ha conseguido comprender a cabalidad cómo funcionan otros seres vivos.

Cuando los conocimientos actuales así lo permiten, se incluirá una descripción de aspectos fisiopatológicos con una doble finalidad: iniciar al lector en el conocimiento de los procesos funcionales subyacentes a distintas patologías e ilustrarlo sobre las diferentes posibilidades de funcionamiento, anómalo o no, que se manifiestan cuando se altera la integridad funcional del organismo. En numerosas ocasiones, los síntomas característicos de un proceso patológico aparecen cuando se superan los rangos funcionales, desapareciendo al tiempo la capacidad para compensarlos. En este sentido, un buen conocimiento de la fisiología de un órgano o sistema puede poner sobre la pista de lo que se avecina; es como decir que las tendencias van por delante de los hechos. Así, actuar con previsión muchas veces es la clave para evitar la aparición de algún síntoma.

El libro se ha dividido en 10 partes principales. La parte I (Fisiología general y celular; capítulos 1 a 6) considera los aspectos básicos que caracterizan a las células excitables, en particular la neurona y la fibra muscular. Los capítulos 7 a 14 conforman la parte II, Neurofisiología I, y presentan una visión sucinta de los conocimientos básicos existentes acerca del funcionamiento del sistema nervioso, desde los mecanismos de la comunicación neuronal, hasta la organización de los sistemas motores, además de un panorama actualizado de las funciones nerviosas superiores. La parte III (Neurofisiología II, capítulos 15 a 19) ofrece una presentación pormenorizada de los distintos sistemas sensoriales que detectan distintas manifestaciones de la energía como fuentes imprescindibles de información para el funcionamiento coordinado del individuo en relación con los acontecimientos de su entorno.

La Fisiología de la sangre (parte IV) es explicada en los capítulos 20 a 26; debido a su especial interés experimental y clínico se destinan dos capítulos (24 y 25) al estudio del sistema inmunitario. El complejo trabajo regulador del equilibrio hidrosalino que realiza el riñón se presenta en la parte V, Fisiología renal (capítulos 27 a 34); una vez explicada la anatomía funcional renal y los mecanismos de filtración, absorción y secreción, se incluye un apartado sobre la fisiopatología de este órgano excretor.

El sistema cardiovascular tiene una enorme importancia en la fisiología y la patología humanas, de modo que la parte VI destina 12 capítulos (del 35 al 46) al estudio de la Fisiología del sistema cardiovascular, mismos que comprenden desde las propiedades funcionales de la célula cardiaca, pasando por un detallado estudio del corazón como bomba impulsora de la sangre, hasta la explicación pormenorizada de las propiedades funcionales de los distintos tipos de vasos sanguíneos, generales y regionales. Fisiología del sistema respiratorio (parte VII), comprende los capítulos 47 a 56, en donde se consideran la mecánica respiratoria, los procesos de intercambio gaseoso, el transporte por la sangre de los gases respiratorios y la regulación nerviosa y humoral de la respiración; debido a su interés aplicado, se incluye un capítulo sobre la adaptabilidad de la respiración a diversas condiciones especiales.

La parte VIII (Fisiología del aparato digestivo, capítulos 57 a 67) presenta paso a paso los distintos estadios de la función digestiva y de los procesos de ingesta, absorción y excreción, así como una visión detallada de los aspectos más importantes desde un punto de vista médico de la nutrición en el hombre.

El sistema endocrino es el otro gran regulador de las funciones corporales y su conocimiento tiene un doble interés fisiológico y clínico, de modo que es examinado a fondo en la parte IX, Fisiología del sistema endocrino (capítulos 68 a 86); los dos primeros capítulos se destinan a explicar una visión pormenorizada de los mecanismos y características de la acción hormonal. Después se introducen una a una todas las glándulas de secreción interna, con pertinentes comentarios de carácter fisiopatológico o acerca de las técnicas de exploración de la función endocrina.

Por último, la parte X (capítulos 87 a 94) considera los mecanismos de Integración y adaptación del organismo, esta sección se centra en la exposición de diversas funciones que requieren la intervención de muy variados sistemas reguladores de los organismos, como la regulación de la temperatura corporal y de la ingesta de alimentos y agua, la fisiología de la respuesta corporal o la función de los ritmos biológicos en el funcionamiento global de los seres vivos.

Recuerde que el fisiólogo es como un corredor de fondo: se requiere tiempo, dedicación y paciencia para tener una visión de conjunto sobre cómo funciona el cuerpo humano. La Fisiología obliga también a un razonamiento sistemático; las respuestas de corte finalista y antropocéntrico suelen despistar.

La explicación o entendimiento correcto de un mecanismo no es inmediata y simplista, sino que necesita estudio y elaboración; eso sí, una vez comprendido el proceso fisiológico, la explicación correcta tendrá cabida de seguro en el espacio de lo razonable. A fin de cuentas, el conocimiento que es fruto de nuestros procesos mentales describe la realidad, no la inventa.