Homeostasis

Todos los seres vivos, desde una célula hasta el más complejo ser pluricelular, se desenvuelven en un medio con el que están en continua relación. Ni el ambiente externo, ni el sistema biológico son medios estáticos. Por el contrario ambos están en continuo proceso de transformación. Los mismos procesos biológicos implican cambios que afectan tanto al interior como al exterior celular. Cualquier organismo mantiene sus condiciones internas más o menos constantes gracias a ajustes de su metabolismo. En paralelo al aumento de la organización y complejidad de los seres vivos, los procesos que en estos tienen lugar se ajustan a unas condiciones óptimas que deben ser mantenidas. Es decir, en la evolución de los seres vivos, en función del medio en el que estos habitan, el desarrollo fisiológico ha implicado el desarrollo de sistemas que garantizan unas condiciones internas estables, tales que las reacciones químicas que en ellos tienen lugar funcionen correctamente y no supeditadas al ambiente. Al mantenimiento de estas condiciones internas dentro de los rangos adecuados es a lo que denominamos homeostasis.

En cualquier sistema, las condiciones físicas y químicas en las que se desarrolla una reacción química deben ser las más óptimas para obtener el máximo rendimiento. Los seres vivos no son una excepción: ellos mismos tratan de mantenerlas: la homeostasis.

Objetivo principal de los seres vivos: cooperar y organizarse para poder realizar funciones más complejas y eficaces que garanticen su perpetuación.

Cualquier ser vivo, desde el más simple unicelular hasta los organismos pluricelulares, presentan unas características comunes, inherentes a lo que consideramos sistema vivo, y como bien sabemos, muy diferentes de las propiedades que, por separado, tiene cada una de las sustancias que lo componen. Así pues, en el sistema vivo más elemental encontramos un conjunto de sustancias químicas en interacción y sometidas a reacciones químicas, y tanto ellas como las transformaciones que sufren, perfectamente coordinadas para poder mantenerse estructuralmente y reproducirse, dando lugar a sistemas similares. De esta forma, sabemos que en cualquier sistema vivo:

• Es necesario que se produzcan nuevos sistemas, copias más o menos parecidas al ser vivo original, que garanticen el mantenimiento en el tiempo de esa forma de organización, esa forma de vida. En definitiva: que se reproduzca.
• Existe además una serie de procesos para la incorporación de materia desde el exterior, que denominamos en conjunto nutrición. Todas las reacciones químicas en las que esta materia incorporada (los nutrientes) se vea involucrada es lo que denominamos metabolismo. Mediante estas reacciones metabólicas el ser vivo transformará las sustancias ingeridas o bien en sustancias que necesite para construir sus propias estructuras o bien en la energía necesaria para todas las reacciones químicas vitales que ese sistema debe llevar a cabo.

Cualquier ser vivo, por tanto, es un sistema abierto, en continua relación con el medio que le rodea, de él obtiene los nutrientes, a él vierte todas las sustancias que no le son útiles, las sustancias de desecho.

Los organismos pluricelulares han desarrollado mecanismos que les permiten un mejor control y mantenimiento del medio interno: una mayor capacidad homeostática

Los sistemas vivos han ido desarrollando mecanismos que les han permitido vivir en situaciones cada vez más complejas. De esta forma, las células se agruparon, cooperando, con el objetivo de obtener ventajas para garantizar su existencia, hasta el punto de asociarse, dejando de ser independientes unas de otras y especializándose en funciones concretas (constituyendo lo que conocemos como tejidos, órganos y aparatos). En estos organismos pluricelulares los procesos básicos son los mismos mencionados arriba, pero estas funciones se desarrollan de una forman mucho más eficaz y compleja gracias a esta organización y especialización de las células.

En este camino hacia el desarrollo uno de los problemas más importantes a los que ha tenido que hacer frente la organización en los seres vivos es a conseguir mantener el medio interno en condiciones más o menos estable, y sobre todo óptimas, para que toda la maquinaria biológica funcione de la forma más adecuada posible, independientemente del ambiente en el que se encuentre o de las variaciones que en el medio interno o externo puedan suceder. La posibilidad de mantener un ambiente interno estable (dentro de unos límites) y diferente del medio externo ha facilitado el desarrollo de seres vivos más sofisticados en los que las condiciones de funcionamiento de cada célula, y del conjunto del organismo, sean óptimas y no supeditadas al ambiente exterior.

Al mantenimiento de estas condiciones constantes en el medio interno del ser vivo es a lo que denominamos homeostasis. Si tenemos en cuenta que lo que sucede en cada una de las células de cualquier organismo son un elevadísimo número de transformaciones químicas, perfectamente coordinadas, permitir que éstas puedan realizarse en las condiciones más óptimas posibles será una gran ventaja para el organismo que las alberga.

¿Cómo se mantiene un medio interno relativamente constante?

Para mantener la homeostasis, la actividad de todos los órganos (digestivo, respiratorio, circulatorio, excretor) debe funcionar de forma regulada y controlada, y en continua respuesta a las variaciones de los medios externos e internos. Con este fin, los animales disponen de dos sistemas de control y coordinación del organismo, que están relacionadas tanto funcional como anatómicamente: el sistema nervioso y el sistema endocrino. Las funciones que, en relación con la homeostasis, deben desempeñar ambos sistemas son, en primer lugar, percibir los cambios, tanto del ambiente interno como externo, a continuación, deben procesar esta información que se recibe, y por último, dar las órdenes oportunas a los diferentes órganos y sistemas del organismo para que actúen de la forma apropiada.

Además de los sistemas de control y regulación, el organismo necesita de información de retroalimentación que le informe sobre la situación en cada momento, para que pueda analizar como de alejado está de la situación inicial, a la que debe volver.

Cuadro resumen y ejemplo de un mecanismo para el mantenimiento de la homeostasis:

General:	Un ejemplo: Día caluroso: aumento de temperatura corporal
a)     Percibir los cambios:	El sistema nervioso detecta el aumento de la temperatura corporal
b)     Procesar la información:	El circuito neuronal procesa esta información
c)      Transmisión de órdenes a órganos y sistemas:	Se activan las glándulas sudoríparas de la piel
d)     Respuesta:	Se estimula la producción de sudor: al evaporarse el sudor, se elimina calor del organismo

¿Qué condiciones físicas y químicas son importantes para los seres vivos?

La estabilidad de las estructuras (biomoléculas y agregados) que constituyen los seres vivos, así como de las reacciones químicas que en ellos tienen lugar necesita de unos intervalos controlados de pH, temperatura, concentración de sustratos y productos,… para que todo funcione correctamente. Como ejemplos concretos podríamos citar:

1)      La regulación de las cantidades de O2/CO2 en los organismos.

2)     Regulación de los niveles de glucosa en sangre.

3)     Mantenimiento del pH (pH~1 en fluidos gástricos; pH~5 en lisosomas; pH~7 en citoplasma celular) gracias a la presencia sales disueltas en el agua.

4)     El equilibrio de agua (equilibrio hídrico). Si el volumen de agua dentro de la célula varía mucho, las sustancias se concentran o diluyen, alterándose el equilibrio químico de la célula, incluso se puede llegar a tener riesgo de lisis en el caso de que el volumen de agua en el interior celular aumente de forma excesiva.

Control de temperatura: homeotermos

Algunos animales son capaces de mantener constante, dentro de unos intervalos, su temperatura corporal. Esta característica es prácticamente exclusiva de aves y mamíferos.

Estos animales, que denominamos homeotermos, han desarrollado, fundamentalmente, tres tipos de mecanismos o estructuras en este sentido: el desarrollo de pelo y plumas, el control nervioso de circulación sanguínea periférica y la sudoración.

Control de pH:

En general, todas las células necesitan un pH que varíe mínimamente y próximo a la neutralidad. El propio metabolismo celular ya implica variaciones de pH.

En el control de pH celular intervienen sales disueltas en el medio: los sistemas biológicos disponen de sistemas amortiguadores o tampones encargados de regular estos cambios. Como cualquier disolución tampón, los amortiguadores biológicos constan de un ácido o una base débil y una sal conjugada de ese ácido o de esa base. En los medios biológicos destacan dos tampones salinos:

- En el medio extracelular (sangre): ácido carbónico (H2CO3)/bicarbonato de sodio (NaHCO3), y

- En el medio intracelular: tampón bifosfato (H2PO4-)/fosfato (HPO42-).

El equilibrio hídrico/salino en los seres vivos y osmosis:

Si analizamos cualquier sistema biológico, desde una célula hasta el hombre, el medio interno en el que se desarrollan todos los procesos químicos vitales es un medio acuoso. Este medio interno es, pues, una disolución acuosa de iones y otros solutos (biomoléculas), junto con grandes agregados moleculares y estructuras celulares en suspensión. El medio intracelular está separado del medio externo por una membrana biológica, que se comporta como si fuera una membrana semipermeable. En cualquier sistema en el que encontremos esta situación (una membrana semipermeable y dos disoluciones con diferente concentración de solutos a cada lado) se va a producir un proceso que denominamos ósmosis: la membrana semipermeable permite el paso de las moléculas pequeñas de disolvente, que difundirán libremente, pero no permitirá el paso de los solutos. El paso de moléculas de agua se hará siempre desde dónde la proporción de moléculas de agua frente a las de partículas disueltas sea mayor hacia donde sea menor. El proceso de paso de agua continuará hasta que se alcance un equilibrio que denominamos equilibrio osmótico (no hay balance neto ni de entrada ni de salida de moléculas de disolvente a ninguno de los dos lados).