Biología Del Desarrollo 2005

8/17/2019 Biología Del Desarrollo 2005

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P a r t e Principios de la biologíadel desarrollo

I 1 Biología del desarrollo: la tradición anatómica2 Ciclos de vida y la evolución de los patrones de desarrollo3 Principios de embriología experimental4 La base genética del desarrollo5 El paradigma de la expresión génica diferencial6 Comunicación célula-célula en el desarrollo

Biología del Desarrollo ©2005. Editorial Médica Panamericana

http://www.medicapanamericana.com/Libros/Libro/3799/Biologia-del-Desarrollo.html



Embrión de pollo de dos días visto desde la superficie ventral, que permi te observar la ci rculación de la sangre hacia el saco vit elino y hacia atrás. La sangre abandona el embrión a t ravés de dos art erias vit elinas, y ésta retorna mediante las venas vitelinas cerca de la cabeza del embrión. (Figura. 1-2B de F. R. Lil lie, 1908.)




E

NTRE LA FECUNDACIÓN Y EL NACIMIENTO, el organismo en desarrollo seconoce como embrión. El concepto de un embrión es asombrosamen-

te único, y la formación de un embrión es el acontecimiento más difí-cil que alguna vez podrías llevar a cabo. Para llegar a ser un embrión, tienesque construirte a tí mismo a partir de una única célula. Tienes que respirarantes de tener pulmones, digerir antes de poseer un tubo digestivo, construirhuesos cuando eras pulposo y formar series de neuronas dispuestas ordena-damente antes de saber pensar. Una de las diferencias críticas entre tú y unamáquina es que no se necesita del funcionamiento de ésta hasta que estáconstruida. Cada animal debe funcionar mientras se construye a sí mismo.

Para los animales, hongos y plantas, el único camino para alcanzar elestado adulto partiendo de una célula huevo o cigoto es mediante el desa-rrollo de un embrión. El embrión media entre el genotipo y el fenotipo, entrelos genes heredados y el organismo adulto. Mientras que la mayor parte dela biología estudia la estructura y función del adulto, la biología del desa-

rrollo encuentra más interesante el estudio de los estados transitorios que lopreparan para el adulto. La biología del desarrollo estudia el comienzo y laconstrucción de un organismo más que su mantenimiento. Es una ciencia dellegar a ser, una ciencia de procesos. Decir que la mosca de mayo (efímera)vive tan solo un día es profundamente impreciso para un biólogo del desa-rrollo. Una mosca de mayo puede ser un adulto alado por tan solo un día,pero ésta pasa otros 364 días de su vida como un juvenil acuático bajo lasaguas de una charca o de un arroyo.

Las preguntas que a menudo se hacen los biólogos del desarrollo sonacerca de llegar a ser más que sobre ser. Para un biólogo del desarrollo decirque los mamíferos XX son generalmente femeninos y que los mamíferos XYson generalmente masculinos no explica la determinación del sexo, debido aque él quiere saber cómo el genotipo XX produce una hembra y cómo el

genotipo XY produce un macho. Del mismo modo, un genetista podría pre-guntarse sobre cómo los genes de la globina son transmitidos desde una

3

* Nota del traductor: la palabra huevo (del inglés: egg) puede tener diferentes interpreta-ciones de acuerdo al contexto en que se la aplique, fundamentalmente para los textos publi-cados en inglés. En la presente obra se especificará el concepto de célula huevo o cigoto(resultado de la fusión de los gametos femenino y masculino), gameto femenino (que deacuerdo a la especie habrá o no finalizado la meiosis II), ovocito (en este caso estará refi-riéndose a un gameto en proceso de diferenciación, gameto maduro (un concepto másamplio que se refiere a que el gameto se encuentra apto para ser fecundado) y óvulo. Solose reservará la palabra huevo (inglés egg) para el caso en el que representa una etapa másamplia o que corresponde a la estructura dentro de la cual se llevará a cabo el desarrollodel embrión como es en el caso de las especies ovíparas. La palabra óvulo hace referencia

al gameto que ha finalizado la meiosis II, pero debido a que en muchos casos el gametofemenino con capacidad fecundante no finaliza la meiosis II hasta que se produce la fecun-dación, se utilizará la palabra gameto femenino para evitar este tipo de confusión, reser-vándose el término óvulo para el caso que corresponda (ver más detalles en la fig. 7-5).

C a p í t u l o Biología del desarrollo:la tradición anatómica1

La naturaleza es siempre la

misma, y aun su aparienciaes siempre cambiante. Éstees nuestro negocio comoartistas para transmitir laemoción de la permanenciade la naturaleza junto conlos elementos y lasapariencias de todos suscambios.

PAUL CEZANNE

(alrededor de 1900)

Las grandes mentes progresistas de laembriología no han buscadola hipótesis; ellas hanobservado embriones.

JANE OPPENHEIMER (1955)




generación a la siguiente, y un fisiólogo podría pregun-tarse sobre la función de las proteínas de la globina enel cuerpo. Pero los biólogos del desarrollo se preguntancómo es que los genes de la globina llegan a ser expre-sados solo en los glóbulos rojos de las células sanguí-neas y cómo ellos llegan a ser activos únicamente en

momentos específicos del desarrollo. (Todavía no cono-cemos las respuestas.)La biología del desarrollo es un gran campo para los

científicos que quieren integrar diferentes niveles de labiología. Se puede tener un problema y estudiarlo en losniveles molecular y químico (p. ej., ¿cómo se transcribenlos genes de la globina? y ¿cómo hacen los factores queactivan su transcripción para interactuar recíprocamentesobre el DNA?); en los niveles celular y tisular (¿cuálesson las células que tienen la habilidad de producir globi-na? y ¿cómo hace el mRNA de la globina para dejar elnúcleo?); en los niveles de órganos y sistemas de órganos(¿cómo se forman los capilares en cada tejido? y ¿cómoson instruidos para ramificarse y conectarse?); y aún enlos niveles ecológico y evolutivo (¿cómo pueden las dife-rencias en la activación del gen de la globina permitir aloxígeno circular desde la madre al feto? y ¿cómo los fac-tores ambientales pueden desencadenar la diferenciaciónde más glóbulos rojos sanguíneos?).

La biología del desarrollo es uno de los campos másexcitantes y de mayor crecimiento de la biología, creandouna estructura que integra biología molecular, fisiología,biología celular, genética, anatomía, investigación en cán-cer, neurobiología, inmunología, y ecología y biología evo-lutiva. El estudio del desarrollo se ha transformado en algoesencial para entender cualquier área de la biología.

Las preguntas de la biología del desarrolloSegún Aristóteles, el primer embriólogo conocido de lahistoria, la ciencia comienza con la admiración o elasombro: “Es debido a la admiración que el hombreempezó a filosofar, y la admiración sigue siendo el ori-gen del conocimiento” (Aristóteles, Metaphysics, alrede-dor de 350 a.C.). El desarrollo de un animal a partir deuna célula huevo ha sido origen de asombro a lo largo dela historia. El simple procedimiento de abrir un huevo depollo durante cada día sucesivo de sus tres semanas de

incubación proporciona una experiencia extraordinariaque permite observar cómo a partir de una delgada bandade células se llega a formar esta ave en su totalidad.Aristóteles llevó a cabo este procedimiento y prestó cui-dadosa atención a la formación de los principales órga-nos. Cualquiera puede asombrarse de este extraordinario–aún sigue siendo frecuente– fenómeno, pero los cientí-ficos pretenden descubrir cómo se produce exactamenteel desarrollo. Y en lugar de disipar el asombro, el nuevoconocimiento lo incrementa.

Los organismos multicelulares no surgen completa-mente formados. En su lugar, se originan por un procesorelativamente lento de cambios progresivos que nosotros

denominamos desarrollo. En casi todos los casos, eldesarrollo de un organismo multicelular comienza a par-tir de una célula –el gameto femenino fecundado, o cigo-to (célula huevo), que se divide por mitosis para darorigen a todas las células del cuerpo. Tradicionalmente,

el estudio del desarrollo animal ha sido denominadoembriología, comprendiendo la fase de un organismoentre la fecundación y el nacimiento. Pero el desarrollo nose detiene con el nacimiento, o aún en la madurez. Lamayoría de los organismos nunca detiene su desarrollo.Cada día reemplazamos más de un gramo de células de

la piel (las células viejas comienzan a descamarse cuan-do nos movemos), y nuestra médula ósea mantiene eldesarrollo de millones de glóbulos rojos sanguíneos nue-vos durante cada minuto de nuestras vidas. Además,algunos animales pueden regenerar partes cortadas ymuchas especies experimentan la metamorfosis (talcomo la transformación del renacuajo en una rana o de laoruga en una mariposa). Por esta razón, desde los últimosaños se acostumbra a hablar de la biología del desarro-llo como la disciplina que estudia el desarrollo embrio-nario y otros procesos de desarrollo.

El desarrollo lleva a cabo dos objetivos fundamenta-les: genera diversidad celular y orden dentro de cadageneración, asegurándose de este modo la continuidad dela vida desde una generación a la siguiente. Por estemotivo, hay dos preguntas fundamentales en la biologíadel desarrollo: ¿cómo hace el gameto femenino fecunda-do para dar origen al cuerpo del adulto? y ¿cómo los pro-ductos del cuerpo del adulto generan además otrocuerpo? Estos dos grandes interrogantes han sido subdi-vididos en seis preguntas generales examinadas por losbiólogos del desarrollo:

• El interrogante sobre la diferenciación. Unaúnica célula, el gameto femenino fecundado, da ori-gen a cientos de tipos celulares diferentes –célulasmusculares, células epidérmicas, neuronas, célulasdel cristalino, linfocitos, células sanguíneas, célulasadiposas y muchas más (fig. 1-1). Esta generaciónde diversidad celular se denomina diferenciación.Debido a que cada célula del cuerpo (con muypocas excepciones) contiene el mismo grupo degenes, ¿cómo puede este mismo grupo de instruc-ciones genéticas producir diferentes tipos celulares?¿Cómo puede el gameto femenino fecundado gene-rar tantos tipos celulares diferentes?

• El interrogante sobre la morfogénesis. Nuestrascélulas diferenciadas no se encuentran distribuidas alazar. De hecho, están organizadas en complicadostejidos y órganos. Durante el desarrollo, las células

se dividen, migran y mueren; los tejidos se pliegan yse separan. Los órganos así formados se encuentranorganizados de un modo particular: nuestros dedosestán siempre en la extremidad de nuestras manos,nunca en el medio; nuestros ojos están siempre ennuestra cabeza, nunca en nuestros dedos del pie o enel intestino. A la creación de esta forma ordenada sela denomina morfogénesis. ¿Cómo pueden las célu-las formar tales estructuras ordenadas?

• El interrogante sobre el crecimiento. Si cadacélula de nuestra cara pudiera continuar tan solouna sola división celular más, podríamos ser consi-derados como horriblemente malformados. Si cada

una de las células de nuestros brazos siguiese tansolo una ronda más de división celular, podríamosatar los cordones de nuestros zapatos sin inclinarnossobre ellos. ¿Cómo saben nuestras células cuándoes el momento en el que deben detener su división?

4 Capítulo 1




Nuestros brazos tienen generalmente el mismotamaño a ambos lados del cuerpo ¿de qué modo ladivisión celular es regulada de manera tan rigurosa?

• El interrogante acerca de la reproducción. Elespermatozoide y el gameto femenino son célu-las muy especializadas. Solo ellas pueden trans-mitir las instrucciones para llevar a cabo laconstrucción de un organismo desde una genera-ción a la siguiente. ¿Cómo se produce la separa-ción de un grupo de células para formar lasiguiente generación? y ¿cuáles son las instruc-ciones en el núcleo y en el citoplasma que lepermiten a ellas funcionar en ese sentido?

• El interrogante sobre la evolución. La evolu-ción implica cambios heredados del desarrollo.Cuando decimos que el único dedo del caballode la actualidad tuvo un antepasado de cincodedos, estamos diciendo que los cambios en eldesarrollo del cartílago y de los músculos se pro-

dujeron sobre un gran número de generacionesen los embriones de los antepasados del caballo.¿Cómo hacen los cambios en el desarrollo paragenerar nuevas formas corporales? Dada la limi-tación impuesta por la necesidad de un organis-mo de sobrevivir mientras éste se desarrolla,¿qué cambios hereditarios son posibles?

• El interrogante sobre la integración ambiental.El desarrollo de muchos (y quizá todos) los orga-nismos es influenciado por señales que provienendel ambiente que rodea al embrión o a las larvas.Algunas mariposas, por ejemplo, heredan la habili-dad para producir alas de distintos colores basada

en la temperatura o en la cantidad de luz diariaexperimentada por la oruga antes de pasar por sumetamorfosis. Sin embargo, algunos químicos enel ambiente pueden interrumpir el desarrollo nor-mal, provocando malformaciones en el adulto.

¿Cómo se integra el desarrollo de un organismoen el amplio contexto de su hábitat? y ¿cuálesson las propiedades que permiten a ciertos quími-cos alterar el desarrollo?

Aproximaciones a la biología del desarrolloUn campo de la ciencia es definido por las preguntasque éste intenta responder, y la mayoría de las pregun-tas en biología del desarrollo le ha sido legada a travésde su herencia embriológica. Hay numerosas corrientesembriológicas, cada una de las cuales ha predominadodurante una era diferente. A veces estas tradiciones sondistintas y en ocasiones se mezclan. Se pueden identifi-car tres aproximaciones principales para estudiar laembriología:

• Aproximación anatómica• Aproximación experimental• Aproximación genética

Mientras es verdadero que los abordajes anatómicosdieron origen a las aproximaciones experimentales, yque los enfoques genéticos agregaron los fundamentosde estas dos aproximaciones más tempranas, las trestradiciones persisten hasta el día de hoy y continúanteniendo un papel de gran importancia en la biologíadel desarrollo. El capítulo 3 de este texto discute abor-dajes experimentales, y los capítulos 4 y 5 examinan engran profundidad los enfoques de la genética. En años

recientes, cada una de estas tradiciones se ha asociadocon la genética molecular para producir una ciencia dela biología del desarrollo enérgica y multifacética. Sinembargo la base de toda la investigación en la biologíadel desarrollo es la anatomía cambiante del organismo.

Biología del desarrollo: la tradi ción anatómi ca 5

Fig. 1-1. Algunos tipos celulares diferenciados representativos del cuerpo de los vertebrados. La progenie del gameto femeninofecundado debe diversificarse en cientos de tipos celulares. Los tipos celulares están organizados en relación a la capa germinal queles da origen. Se muestra que las células germinales (precursoras de los espermatozoides y gametos femeninos) no se originan apartir de las capas germinales.




El enfoque anatómico

¿Cuáles son las partes del embrión que forman el cora-zón? ¿Cómo hacen las células que forman la retinapara situarse ellas mismas a una distancia apropiada deaquellas células que forman el cristalino? ¿Cómo se

relacionan los tejidos que forman el ala del ave con lostejidos que forman la aleta del pez o la mano del serhumano? ¿Cuáles son los órganos que están afectadospor mutaciones en genes específicos? ¿Hay ecuacionesmatemáticas que relacionen el crecimiento de diferen-tes órganos dentro del cuerpo? Éstas son las preguntasrealizadas por los anatomistas del desarrollo.

Varias corrientes interrelacionadas forman el enfo-que anatómico del desarrollo. La primera corriente esla embriología comparada, el estudio sobre cómocambia la anatomía durante el desarrollo de los dife-rentes organismos. La segunda, basada en la primera,es la embriología evolutiva, el estudio de cómo loscambios en el desarrollo pueden provocar cambiosevolutivos y de cómo el linaje de un organismo puedelimitar los tipos de cambios que son posibles. La terce-ra línea del abordaje anatómico a la biología del desa-rrollo es la teratología, el estudio de las anomalías deldesarrollo. Un cuarto método usado en la aproxima-ción anatómica es el modelado matemático, queintenta describir los fenómenos del desarrollo en tér-mino de ecuaciones.

Embr io logía com par ada

El primer estudio conocido sobre anatomía del desa-rrollo comparada fue realizado por Aristóteles en el

siglo IV a.C. En La generación de animales (alrededorde 350 a.C.), él observó las diferentes posibilidades denacimiento de los animales: a partir de huevos (ovipa-ridad, como en aves, ranas, y la mayoría de los inver-tebrados), mediante el nacimiento vivo (viviparidad,como en mamíferos placentados) o a través de la pro-ducción de un huevo que se abre dentro del cuerpo(ovoviviparidad, como ocurre en ciertos reptiles ytiburones). Aristóteles también identificó los dos patro-nes principales de división celular por los que se for-man embriones: patrón de segmentación holoblástico(en el que la célula huevo entera es dividida en doscélulas más pequeñas, como sucede en ranas y en

mamíferos) y el patrón de segmentación meroblástico(como en los pollos, en donde solo una parte de la célu-la huevo es destinada a ser embrión, mientras que laotra porción –el vitelo– sirve como nutrición). Y sialguien quisiera conocer quién fue el primero en enten-der algo sobre las funciones de la placenta y del cordónumbilical, éste fue Aristóteles.

Después de Aristóteles, no se produjo un progresosignificativo en la embriología por los dos mil añossiguientes. Recién en 1651 William Harvey concluyó quetodos los animales –aun los mamíferos– se originan apartir de los huevos (la célula huevo). Ex ovo omnia(“Todos a partir del huevo”) fue el lema en la portada desu obra Sobre la generación de las criaturas vivas, yesto excluyó la generación espontánea de animales apartir del barro o de excrementos. Esta afirmación nofue hecha ligeramente, ya que Harvey sabía que esto ibaen contra de las opiniones de Aristóteles, a quien Harvey

aún veneraba. (Aristóteles pensaba que el fluido mens-trual formaba el material del embrión, mientras que elsemen actuaba de modo tal que le daba a éste la forma yla animación.) Harvey también fue el primero en ver elblastodermo del embrión de pollo (la pequeña regióndel huevo que contiene el citoplasma libre de vitelo que

dará origen al embrión) y fue el primero en indicar queantes que el corazón aparezca se forman “islotes” decélulas sanguíneas. Harvey también sugirió que el líqui-do amniótico podría funcionar como “amortiguador degolpes” para el embrión.

Como podría esperarse, la embriología seguía siendoreducida a especulación hasta que la invención delmicroscopio permitió observaciones detalladas. En 1672,Marcello Malpighi publicó el primer relato sobre el desa-rrollo del pollo basándose en el microscopio. Aquí, fue-ron identificados por vez primera, el surco neural(precursor del tubo neural), los somitas formadores demúsculos y la primera circulación de venas y arteriashacia y desde el saco vitelino (fig. 1-2).

Epigénesis y p ref o rm ación

Con Malpighi comienza uno de los grandes debates enla embriología: la polémica sobre si los órganos delembrión son formados de novo (“empezando de cero”)en cada generación, o si los órganos están en realidadpresentes, en forma de miniaturas, dentro del gametofemenino (o del espermatozoide). El primer punto devista es denominado epigénesis, y fue respaldado porAristóteles y Harvey. El segundo criterio, denominadopreformismo, fue revigorizado con el apoyo deMalpighi. Malpighi demostró que los huevos de pollosin incubar* tenían en realidad mucha estructura. Estaobservación le proporcionó las razones para poner enduda la epigénesis. De acuerdo con la opinión prefor-macionista, todos los órganos del adulto estaban prees-tablecidos en miniatura dentro del espermatozoide o(más frecuentemente) en el gameto femenino. Noobservó que los organismos estuvieran para ser “desa-rrollados”, sino que en todo caso estaban para ser“desenrollados”.

La hipótesis preformacionista tenía el apoyo de laciencia, de la religión y de la filosofía del siglo XVIII

(Gould 1977; Roe 1981; Pinto-Correia 1997). En pri-mer lugar, debido a que todos los órganos estaban pre-

establecidos, el desarrollo embrionario requeríasimplemente el crecimiento de las estructuras preexis-tentes, sin necesitar la formación de otras nuevas.Ninguna fuerza misteriosa extra era necesaria para eldesarrollo embrionario. En segundo lugar, tal como elorganismo adulto fue preestablecido en las células ger-minales, otra generación ya existió en un estado prees-tablecido dentro de las células germinales de laprimera generación preestablecida. Esta consecuencialógica, denominada emboîtement (encapsulación),garantizaba que la especie pudiera mantenerse siempreconstante. Aunque algunos microscopistas afirmaron

6 Capítulo 1

*Como fue precisado por Maître-Jan en 1722, el huevo examinadopor Malpighi puede ser técnicamente denominado “sin incubar”,pero como fue dejado sobre el sol de Bologna en agosto, no estabasin calentar.




ver miniaturas humanas completamente formadas den-tro del espermatozoide o del gameto femenino, los prin-cipales impulsores de esta hipótesis –Albrecht von

Haller y Charles Bonnet– sabían que los sistemas deórganos se desarrollan a diferentes velocidades, y quelas estructuras no necesitan localizarse en el embrión enel mismo lugar que ocupan en el recién nacido.

Los preformacionistas no tenían una teoría celularque proporcionara el límite más bajo de tamaño de susorganismos preformados (la teoría celular se originó amediados de 1800), ni tenían la opinión de que la per-manencia de la especie humana sobre la Tierra fuerapotencialmente infinita. En su lugar, decía Bonnet(1764): “La naturaleza trabaja tan pequeño como lodesea”, y la especie humana existió en un tiempo limi-tado entre la Creación y la Resurrección. Este punto de

vista estuvo en concordancia con la ciencia más rele-vante de esa época, de acuerdo con el principio del filó-sofo-matemático Francés René Descartes sobre elprincipio de la divisibilidad infinita de una naturalezamecánica iniciada, pero no interferida, por Dios. Esto

también se ajustó al punto de vista de la iluminacióndivina. El sacerdote-científico Nicolás Malebranchevio en la preformación la fusión de Dios que da las

reglas del Cristianismo con la ciencia cartesiana(Churchill 1991; Pinto-Correia 1997).*


Fig. 1-2. Representaciones de laanatomía del desarrollo del pollo.A.

Vista dorsal (mirando “hacia abajo” loque se convertirá en el dorso) de unembrión de pollo de 2 días, tal comofue representado por Marcelo Malpighien 1672.B.Vista ventral (mirando“hacia arriba” el futuro abdomen) deun embrión de pollo de un estadosimilar, visto e interpretado a través deun microscopio de disección por F. R.Lillie en 1908. C.Representación deEduard d’Alton, en Pander (1817), de unembrión de pollo de un estado de2 días tardío. D. Interpretaciónmoderna de un embrión de pollo de

3 días. Los detalles de la anatomíaserán discutidos en los capítulosposteriores. (Ade Malpighi 1672;Bde Lillie 1908; Cde Pander 1817;cortesía de la Biblioteca Ernst Mayrdel Museum of ComparativeZoology, Harvard;D, según Carlson 1981.)

* La preformación era una teoría conservadora que acentuaba laausencia de cambios entre las generaciones. Su principal falla fuesu imposibilidad para explicar las variaciones conocidas por laevidencia genética limitada de su tiempo. Se sabía, por ejemplo,que el apareamiento entre los padres blancos y negros producíaniños de piel de color intermedio, algo imposible si la herencia yel desarrollo se producían únicamente a través del espermatozoi-de o del gameto femenino. En experimentos más controlados, elbotánico alemán Joseph Kölreuter (1766) generó plantas híbridasdel tabaco que tenían las características de ambas especies. Porotra parte, mediante el apareamiento del híbrido con el padremasculino o femenino, Kölreuter podía “revertir” el híbrido denuevo a uno u otro tipo parental luego de varias generaciones.Así, la herencia parecía originarse a partir de una mezcla de com-ponentes de los padres.

A B

C

D




El argumento embriológico de la epigénesis fue reac-tivado al mismo tiempo por Kaspar Friedrich Wolff, unembriólogo alemán que trabajaba en San Petersburgo.Mediante observaciones cuidadosas del desarrollo delembrión de pollo, Wolff demostró que las regionesembrionarias se desarrollan a partir de tejidos que no tie-

nen un equivalente en el organismo adulto. El corazón ylos vasos sanguíneos (que, de acuerdo con los preforma-cionistas, tenían que estar presentes desde el comienzopara asegurar el crecimiento embrionario) podían ser vis-tos desarrollándose nuevamente en cada embrión. Delmismo modo, se observó que el tubo intestinal se origina-ba mediante el plegamiento de un tejido originalmenteplano. Esta última observación fue explícitamente deta-llada por Wolff, que proclamó (1767): “Cuando se ha con-siderado debidamente la formación del intestino medianteeste modo, casi no puede quedar duda, yo creo, en la ver-dad de la epigénesis.” Sin embargo, para explicar cómoun organismo es creado nuevamente en cada generación,Wolff tuvo que postular una fuerza desconocida, la visessentialis (“fuerza esencial”), que, actuando de acuerdocon leyes naturales tal como lo hacen la gravedad y elmagnetismo, podría organizar el desarrollo embrionario.

Una reconciliación de clases fue intentada por el filó-sofo alemán Immanuel Kant (1724-1804) y su colega, elbiólogo Johann Friedrich Blumenbach (1752-1840).Intentando construir una teoría científica sobre la descen-dencia racial, Blumenbach postuló una fuerza mecánica,objetivo-dirigida denominada de Bildungstrieb (“fuerzadel desarrollo”). Semejante fuerza, él decía, no era teórica,sino que podía demostrarse su existencia mediante experi-mentación. Una hidra, cuando es cortada, regenera susregiones amputadas mediante la reorganización de los ele-mentos existentes (véase cap. 18). Algunos de los propósi-tos de la fuerza organizadora pueden ser observados enfuncionamiento, y esta fuerza era una propiedad delmismo organismo. Esta Bildungstrieb debía sin embargoser heredada a través de las células germinales. Por estarazón, el desarrollo podía continuar a través de una fuerzapredeterminada intrínseca que se hallaba en la materia delembrión (Cassirer 1950; Lenoir 1980). Por otra parte, secreía que esta fuerza era susceptible a cambios, como lodemostró la variante de caracol enroscado hacia la izquier-da (donde los caracoles enroscados hacia la izquierda pue-den producir progenies enroscadas hacia la derecha). Enesta hipótesis, en donde el desarrollo epigenético es dirigi-

do por instrucciones preformadas, no estamos lejos de laopinión de los biólogos modernos que sostienen que lamayoría de las instrucciones para formar un organismoestá ya presente en la célula huevo.

Pon iendo nom bre a las part es: las capas germ inal es primar ias y los órganos temprano s

El final del preformacionismo no se produjo hasta el año1820, cuando una combinación de nuevas técnicas de tin-ción, de microscopios mejorados y de reformas institucio-nales en las universidades alemanas creó una revolución

en la embriología descriptiva. Las nuevas técnicas permi-tieron a los microscopistas documentar la epigénesis delas estructuras anatómicas y las reformas institucionalesproporcionaron público para estos informes y estudiantespara continuar el trabajo de sus profesores. Entre los más

talentosos de este nuevo grupo orientado hacia el uso delmicroscopio se encontraban tres amigos, nacido uno unaño después del otro, todos ellos eran provenientes de laregión Báltica y estudiaron en el norte de Alemania. Lostrabajos de Christian Pander, Karl Ernst von Baer yHeinrich Rathke transformaron la embriología en una

rama especializada de la ciencia.Pander estudió el embrión de pollo por menos de dosaños (antes de llegar a ser un paleontólogo), pero enaquellos 15 meses, descubrió las capas germinales,* tresregiones distintas del embrión que darán origen a siste-mas de órganos específicos (véase fig. 1-1).

• El ectodermo genera la capa externa del embrión.Produce la capa superficial (epidermis) de la piel ytambién da origen al sistema nervioso.

• El endodermo que llega a ser la capa más internadel embrión y produce el epitelio del tubo digesti-vo y de sus órganos asociados (incluidos los pul-mones).

• El mesodermo se sitúa intercalado entre el ecto-dermo y el endodermo. Genera la sangre, el cora-zón, los riñones, las gónadas, los huesos, losmúsculos y los tejidos conectivos.

Estas tres capas se encuentran en los embriones de todoslos organismos triploblásticos (tres-capas). Algunosfilos , como las poríferas (esponjas), los cnidarios (véaseanémonas, hidra, medusa) y los ctenóforos (portadores depeines o nueces de mar) carecen de un verdadero meso-dermo y se consideran animales diploblásticos.

Pander llevó a cabo además observaciones que incli-naron la balanza a favor de la epigénesis. Las capas ger-minales no formaban sus órganos independientemente(Pander 1817). En realidad, cada capa germinal “no esaún lo suficientemente independiente como para indicarlo que en verdad es, éstas necesitan todavía la ayuda desus hermanas de viaje, y por lo tanto, aunque en realidadestán designadas para diferentes fines, las tres se influen-cian colectivamente una con otra hasta que cada una deellas ha alcanzado un nivel apropiado”. Pander había des-cubierto las interacciones de los tejidos que ahora deno-minamos inducción. Ningún tejido tiene el poder paraconstruir órganos por sí mismo; éste debe interactuar conotros tejidos. (En el capítulo 6 se discutirán minuciosa-mente los principios de la inducción.) De este modo,

Pander sentía que la preformación no podía ser verdade-ra, debido a que los órganos se originan a través de inte-racciones entre estructuras más simples.

La fama del libro de Pander se debe curiosamente asus grabados; el artista, Eduard d’Alton, dibujó detallespara los cuales el vocabulario todavía no había sidoinventado. En la actualidad podemos mirar esos dibujosy observar cinco regiones del cerebro embrionario delpollo, aunque estas regiones no habían sido aún definidasseparadamente o no se habían dado sus nombres (véasefig. 1-2C; Churchill 1991). La capacidad para realizarobservaciones precisas ha estado siempre entre las gran-des habilidades de los embriólogos y en la actualidad los

8 Capítulo 1

*De la misma raíz que la germinación: del latín germen; significa“brote” o “esbozo”. Los nombres de las tres capas germinales sondel griego: ectodermos de ektos (“afuera”) más derma (piel); meso-dermo de mesos (“medio”) y endodermo de endon (“dentro”).




biólogos del desarrollo modernos estudiando los patro-nes de expresión de genes están “descubriendo” regionesdel embrión que fueron observadas por los embriólogosun siglo atrás.

Heinrich Rathke observaba el desarrollo de ranas, sala-mandras, peces, aves y mamíferos, y acentúo las semejan-zas en el desarrollo de todos estos grupos vertebrados.Durante sus 40 años de investigación embriológica, descri-bió en su primera época los arcos faríngeos de los verte-brados (fig. 1-3), que se convierten en el aparato branquialde los peces pero que en los mamíferos dan origen a lamandíbula y a los oídos (entre otras cosas, como se verá enla figura 1-14). Rathke describió la formación del cráneo delos vertebrados, y el origen de los sistemas reproductor,excretor y respiratorio; también estudió el desarrollo de losinvertebrados, especialmente el cangrejo. En la actualidadél es conmemorado en el nombre de la “bolsa de Rathke”,el rudimento embrionario de la porción glandular de lahipófisis. Que él pudiera ver tal estructura usando las técni-cas disponibles de aquella época es testimonio de su extra-ordinario poder de observación y de su mano constante.

Los cuat ro p rincipios de Karl Ernst v on Baer

Karl Ernst von Baer amplió los estudios de Pander del

embrión de pollo. Descubrió la notocorda, el cordón demesodermo más dorsal que separa el embrión en unamitad derecha y otra izquierda y que instruye al ectodermoque se encuentra sobre ella para convertirse en el sistemanervioso (fig. 1-4). También descubrió el gameto femeni-no de mamíferos (observó el ovocito dentro del ovario),aquella célula buscada durante largo tiempo que cada unocreía que existía pero que nadie había visto aún.*

En 1828, von Baer relató: “Tengo dos embrionespequeños conservados en alcohol, que olvidé de etique-tar. En este momento soy incapaz de determinar elgénero al que pertenecen. Ellos podrían ser lagartos,aves pequeñas o aún mamíferos.” La figura 1-5 permiteapreciar su dilema. Todos los embriones de vertebrados(peces, reptiles, anfibios, aves y mamíferos) comienzan

con una estructura básicamente similar. A partir de sudetallado estudio del desarrollo del pollo y su compara-ción del embrión de pollo con los embriones de otrosvertebrados, von Baer derivó en cuatro generalizacio-nes. Actualmente a menudo referidas como “las leyesde von Baer”, ellas se exponen aquí con algunos ejem-plos de vertebrados.

1. Las características generales de un grupo másgrande de animales aparecen antes en el desarrolloque aquellas características especializadas de ungrupo más pequeño. Todos los vertebrados en desa-rrollo parecen ser muy similares poco tiempo después

de la gastrulación. Solo posteriormente en el desarro-llo emergen las características especiales de clase,orden y finalmente especie. Todos los embriones devertebrados tienen arcos branquiales, notocorda,médula espinal y riñones primitivos.


Fig. 1-3.Arcos faríngeos (también llamados arcos branquiales yarcos de las agallas) en el embrión de la salamandraAmbystoma mexicanum . El ectodermo superficial ha sido retirado parapermitir la visualización fácil de estos arcos (resaltados) mientrasse forman. (Fotografía cortesía de P. Falck y L. Olsson.)

Fig. 1-4. Notocorda en el embrión de pollo. A.Vista dorsal de

un embrión de pollo de 24 horas.B.Una sección transversal através del tronco muestra la notocorda y el tubo neural endesarrollo. Comparando las figuras 1-2 y 1-4 pueden observarsecambios significativos entre los días 1, 2 y 3 del huevo de polloen incubación. (A, según Patten 1951.)

* Von Baer apenas podía creer que él finalmente lo había encon-trado cuando muchos otros –Harvey, de Graaf, von Haller,Prevost, Dumas y aun Purkinje– habían fallado. “Retrocedí comosi fuera alcanzado por un rayo... Tuve que intentar relajarme porun momento antes de que pudiera tomar suficiente coraje paramirar otra vez, ya que tenía miedo porque un fantasma me habíaasustado. ¿No es extraño que una visión que es esperada, y que enefecto se esperaba, puede ser aterradora cuando ésta eventual-mente se materializa?”

B

A




2. Los caracteres menos generales se desarrollan apartir de los más generales, hasta que finalmenteaparecen los más especializados. Todos los vertebra-dos tienen inicialmente el mismo tipo de piel. Soloposteriormente la piel desarrolla escamas en los peces,escamas en los reptiles, plumas en las aves, o el pelo,garras y uñas de mamíferos. Del mismo modo, el desa-rrollo temprano del miembro es esencialmente elmismo en todos los vertebrados. Solo posteriormentese hacen evidentes las diferencias entre patas (piernas),alas y brazos.*

3. El embrión de una especie dada, en lugar de pasarpor los estados adultos de los animales inferiores, seaparta cada vez más de ellos.† Las hendiduras visce-rales de aves y mamíferos embrionarios, en detalles, notienen semejanzas con las hendiduras branquiales delos peces adultos. En su lugar, ellas se asemejan a las

hendiduras viscerales de los embriones de peces y deotros embriones de vertebrados. Mientras que el pezpreserva y transforma estas hendiduras en verdaderashendiduras branquiales, los mamíferos las conviertenen estructuras tales como la trompa de Eustaquio (entreel oído y la nasofaringe).

4. Por lo tanto, el embrión temprano de un animalsuperior nunca se parece a un animal inferior, tansolo tendrá semejanzas con su embriones tempra-nos. Los embriones humanos nunca pasan a travésde estados equivalentes a un pez o ave adulto. Másprecisamente, los embriones humanos inicialmente

comparten características en común con los embrio-nes de peces y aves. Posteriormente, los mamíferosy otros embriones divergen, sin pasar ninguno deellos a través de los estados de los otros.

Von Baer también reconoció que hay un patróncomún en el desarrollo de todos los vertebrados: lastres capas germinales dan origen a los diferentes órga-nos, y el origen de estos órganos es constante si elorganismo es un pez, una rana o un pollo.

SITIO WEB 1.1 La recepción de los prin-cipios de von Baer (The reception of vonBaer´s principles). La aceptación de losprincipios de von Baer y su interpretaciónhan variado enormemente en los últimos cienaños. La evidencia reciente sugiere que uninvestigador importante de 1800 inclusofabricó datos cuando su propia teoría fuecontra estos postulados.

Mapa de destin o del embrión

Hacia fines de la década de 1800, la célula había sidodemostrada de manera concluyente para ser la base de laanatomía y de la fisiología. Los embriólogos comenzarontambién a basar su campo en la célula. Uno de los pro-

gramas más importantes de la embriología descriptivallegó a ser el trazado de linajes celulares: siguiendocélulas individuales para observar lo que ellas llegan aser. En muchos organismos, no es posible una resolucióntan fina, pero se pueden marcar grupos de células paraver en qué área del embrión llegarán a formar parte.Reuniendo todos estos estudios es posible construir unmapa de destino. Estos diagramas “trazan un mapa” dela estructura larval o adulta sobre la región del embrión apartir de la cual fueron obtenidos los datos. Los mapas dedestino constituyen las bases de la embriología experi-mental, debido a que proporcionan a los investigadores lainformación sobre qué partes del embrión normalmente

llegan a ser un determinado tipo de estructura larval oadulta. Los mapas de destino de algunos embriones en elestado de gástrula temprana se muestran en la figura 1-6.Los mapas de destino han sido generados de variosmodos.

OBSERVACIÓN DE EMBRIONES VIVOS. En algunosinvertebrados, los embriones son transparentes, tienenrelativamente pocas células y las células hijas se man-tienen muy cercanas entre sí. En tales casos, es posibleen realidad mirar a través del microscopio y trazar losdescendientes de una célula específica en los órganosque ella genera. Este tipo de estudios fue realizadocerca de un siglo atrás por Edwin G. Conklin. En unode estos estudios, él tomó huevos del tunicado Styela

partita, una ascidia que reside en las aguas de la costade Massachusetts, y siguió pacientemente el destino decada célula del embrión hasta que se diferenciaban en

10 Capítulo 1

Fig. 1-5. Las similitudes y diferencias entre diversos embrionesde vertebrados tal como avanzan a través del desarrollo. Cadauno de ellos comienza con una estructura básicamente similar,aunque adquieren esta estructura a diferentes edades ytamaños. A medida que se desarrollan se parecen menos entresí. (Adaptado de Richardson y col. 1998; fotografía cortesía deM. Richardson.)

* Nota del traductor: los términos pata (pierna) o brazo respondena una descripción general de lo que podría ser considerado comouna expresión similar a la de miembro inferior y superior respecti-vamente (para el caso del ser humano). En términos anatómicosmás precisos el miembro superior se divide en las regiones de lacintura escapular, brazo, antebrazo y mano; el miembro inferior se

divide en las regiones de la cintura pelviana, muslo, pierna y pie.

† Von Baer formuló estas generalizaciones antes de la teoría de la evo-lución de Darwin. “Los animales más inferiores” serían aquellos queaparecieron más temprano en la historia de la vida.




estructuras específicas (fig. 1-7, Conklin 1905). Él fueayudado en ese esfuerzo por la singularidad del huevode Styela, en el cual las diferentes células contienendistintos pigmentos. Por ejemplo, las células formado-ras de músculo siempre tienen un color amarillo. Elmapa de destino de Conklin fue confirmado mediante

experimentos de extirpación de células. La eliminaciónde la célula B4.1 (que de acuerdo con el mapa deberíaproducir todos los músculos de la cola), por ejemplo,resultó en la ausencia de los músculos de la cola(Reverberi y Minganti 1946).

SITIO WEB 1.2 Arte y ciencia de Conklin(Conklin’s art and science). Las láminasde la destacada publicación de Conklin de1905 se encuentran en línea. Mirándolas sepuede ver la precisión de sus observacionesy de cómo construyó su mapa de destino delos embriones de tunicado.

VADE MECUM 2 El microscopio com-puesto (The compound microscope). Elmicroscopio compuesto ha sido la herra-mienta crítica de los anatomistas del desa-rrollo. La maestría de las técnicas demicroscopia permite ingresar en el mundode la forma y del modelado.[Hacer clic sobre Microscope]

MARCA DE COLORANTE VITAL. La mayoría de losembriones no son demasiado complacientes en tenercélulas de colores diferentes. Tampoco todos losembriones tienen pocas células como los tunicados. Enlos primeros años del siglo XX, Vogt (1929) rastreó eldestino de diferentes áreas del huevo de anfibio alponer colorantes vitales sobre la región de interés. Loscolorantes vitales teñirán las células sin matarlas.Mezcló el colorante con agar y esparció el agar sobreun portaobjetos de microscopio para secarlo. Losextremos del agar coloreados serán muy delgados.Cortó finas rodajas a partir de estos extremos y lascolocó sobre un embrión de rana. Posteriormente a latinción de las células por el colorante, las rodajas deagar fueron retiradas y se pudieron seguir los movi-mientos celulares dentro del embrión (fig. 1-8).

COLORANTES FLUORESCENTES Y MARCA RADIACTIVA.Una variante de la técnica de marcación con colorantees hacer a un área del embrión radiactiva. Para ello, engeneral se hace crecer a un embrión donante en unasolución con timidina radiactiva. Esta base podría seráincorporada en el DNA de las células del embrión quese hallan en división. A un segundo embrión (elembrión huésped) se lo hace crecer bajo condicionesnormales. La región de interés es eliminada en elembrión huésped y reemplazada por un injerto radiacti-vo obtenido a partir del embrión donante. Luego de untiempo, el embrión huésped es cortado para microsco-pia. Las células que son radiactivas serán las descen-

dientes de las células del injerto, y pueden serdistinguidas mediante radioautografía. Los portaobje-tos de microscopio fijados que contienen la sección sonbañados en una emulsión fotográfica. Los electrones dealta energía de la timidina radiactiva reducirán los iones

de plata en la emulsión (tal como la luz). El resultado esun grupo de granos de plata oscuros directamente sobrela región radiactiva. De este modo, ha sido determinado

el destino de las diferentes regiones del embrión depollo (Rosenquist 1966).

Uno de los problemas con los colorantes vitales ylos marcadores radiactivos es que como se diluyen encada división celular, se vuelve dificultosa su detección.Una opción para resolver este problema es el uso demarcadores fluorescentes que son tan intensos que unavez inyectados en las células individuales pueden serdetectados todavía en la progenie de estas células a lolargo de muchas divisiones posteriores. Dextrán conju-gado con fluoresceína, por ejemplo, puede ser inyecta-do en una sola célula de un embrión temprano, y losdescendientes de esta célula pueden ser vistos median-

te el examen del embrión bajo luz ultravioleta (fig. 1-9).Más recientemente, dil, una poderosa molécula fluores-cente que se incorpora en los lípidos de la membrana,también ha sido utilizada para seguir el destino de lascélulas y de su progenie.

Biología del desarrollo: la tradi ción anatómica 11

Fig. 1-6. Mapas de destino de diferentes clases de vertebradosen el estado de gástrula temprana. Todas son vistassuperficiales dorsales (mirando “hacia abajo” lo que será en elembrión su dorso). A pesar de las diferentes apariencias deestos animales adultos, sus mapas de destinos muestranmuchas semejanzas entre los embriones. Las células queformarán la notocorda ocupan una posición dorsal central,mientras que los precursores del sistema neural se encuentraninmediatamente anterior a ésta. El ectodermo neural estárodeado por menos ectodermo dorsal, el cual formará laepidermis de la piel. A indica el extremo anterior del embrión;P, el extremo posterior. La línea de puntos verde indica el sitiode invaginación; el camino que las células seguirán cuandomigren desde el exterior al interior del embrión.




12 Capítulo 1

Fig. 1-7. Mapa dedestino de un embrión detunicado. A.El embriónde 1 célula (izquierda),mostrado poco antes dela primera división celular,indicándose el destino delas regionescitoplasmáticas. El

embrión de 8 célulassobre la derecha muestraestas regiones luego detres divisiones celulares.B.Una versión lineal delmapa de destino, muestralos destinos de cada unade las células del embrión.Durante todo este librousaremos la convenciónde colores de la anatomíadel desarrollo: azul parael ectodermo, rojo para elmesodermo y amarillo

para el endodermo. (A,según Nishida 1987 yReverberi y Minganti1946;B, según Conklin1905 y Nishida 1987.)

A

B




MARCA GENÉTICA. Un método permanente de marca-ción de células y de seguimiento de sus destinos es lacreación de embriones mosaico que tendrán diferentesconstituciones genéticas. Uno de los mejores ejemplosde esta técnica es la construcción de embriones quimé-ricos que consiste, por ejemplo, en un injerto de célulasde codorniz dentro de un embrión de pollo. El pollo y lacodorniz se desarrollan de un modo muy similar (espe-cialmente durante el desarrollo embrionario temprano),

y un injerto de células de la codorniz se integrará en unembrión de pollo y participará en la construcción devarios órganos. El reemplazo de las células del pollo porlas células de la codorniz puede realizarse en un embriónmientras éste se encuentre todavía en el interior delhuevo, y el pollo que nacerá tendrá células de la codornizen sitios específicos, dependiendo de dónde fue colocadoel injerto. Las células de la codorniz difieren de las delpollo en dos aspectos importantes. En primer lugar, la


Fig. 1-8. Tinción de embriones de anfibio con coloración vital.A.Método de Vogt para marcar células específicas de lasuperficie del embrión con colorantes vitales.(B-D)Vistasuperficial dorsal de la tinción sobre embriones en estadossucesivos.E. Embrión de Tritón disecado en una sección sagitalmedial para mostrar las células teñidas en el interior. (SegúnVogt 1929.)

Fig. 1-9.Mapa de destino utilizando una tinción fluorescente.A.Células específicas de un embrión de pez cebra fueron inyectadas conun marcador fluorescente que no podrá difundirse desde las células. El marcador fue activado luego mediante láser en una pequeñaregión (alrededor de 5 células) del embrión en estado de segmentación tardío.B.Luego del inicio de la formación del sistema nervioso,

las células que expresaban activamente el marcador fueron visualizadas mediante luz fluorescente. La tinción fluorescente es observadaen células específicas que generan el cerebro anterior y el cerebro medio. C.Mapa de destino del sistema nervioso central del pez cebra.El marcador fue inyectado dentro de las células 6 horas después de la fecundación (izquierda) y el resultado es un código de coloressobre el pez nacido (derecha). Los colores superpuestos indican que las células desde estas regiones del embrión de 6 horas contribuyena dos o más regiones. (A, Bde Kozlowski y col. 1998; fotografía cortesía de E. Weinberg. C, según Woo y Fraser 1995.)

A B C D

E

A

B

C




heterocromatina de la codorniz en el núcleo está concen-trada alrededor del nucléolo, haciendo que el núcleo dela codorniz sea fácilmente distinguible del núcleo delpollo. En segundo lugar, hay antígenos específicos decélula que son específicos de codorniz y que pueden uti-lizarse para encontrar células individuales de la codorniz,aun si ellas están en una población amplia de las célulasdel pollo. De este modo, se han obtenido excelentesmapas de las estructuras del cerebro del pollo y del siste-ma esquelético (fig. 1-10; Le Douarin 1969; Le Douarin

and Teillet 1973).

SITIO WEB 1.3 La Dra. Nicole Le Douariny las quimeras pollo-codorniz (Dr. NicoleLe Douarin and chick-quail chimeras).Somos afortunados en presentar aquí una pelí-cula realizada por la Dra. Le Douarin sobresus injertos pollo-codorniz. Usted podrá vercómo en realidad se hacen estos injertos.

VADE MECUM2 Histotécnicas (Histotech-niques). La mayoría de las células debe serteñida con la finalidad de poder verla; diver-

sos colorantes tiñen diferentes tipos de molé-culas. Aquí se dan las instrucciones sobretinción de células para observar estructurasespecíficas (tales como el núcleo).[Hacer clic sobre Histotechniques]

M igración celular

Una de las contribuciones más importantes de losmapas de destino ha sido la demostración de una exten-sa migración celular durante el desarrollo. MaryRawles (1940) demostró que las células pigmentadas(melanocitos) del pollo se originaban en la cresta neu-ral, una banda transitoria de células que une el tuboneural con la epidermis. Cuando trasplantó pequeñasregiones de tejido que contenían cresta neural a partirde una estirpe pigmentada de pollos, a una posición

semejante en embriones de una estirpe no pigmentadade pollos, las células pigmentadas en migración entra-ban en la epidermis y posteriormente lo hacían en lasplumas (fig. 1-11A). Ris (1941) utilizó una técnicasimilar para mostrar que mientras casi todo el pigmen-to externo del embrión de pollo provenía de la migra-ción de las células de la cresta neural, el pigmento de laretina era formado en la retina misma y no era depen-diente de la migración de células de la cresta neural.Mediante la utilización de técnicas de marcaciónradiactiva, Weston (1963) demostró que la migraciónde las células de la cresta neural da origen a los mela-nocitos, así como a las neuronas periféricas y a la

médula suprarrenal secretora de epinefrina (adrenali-na) (fig. 1-11B,C). Este patrón fue confirmado en híbri-dos pollo-codorniz, en el que las células de la crestaneural de la codorniz produjeron su propio pigmento ypatrón en las plumas del pollo. Más recientemente, la

14 Capítulo 1

Fig. 1-10.Marcadores genéticos como trazadores de linajecelular.A.Experimentos de injerto donde las células de unaregión particular de un embrión de codorniz de 1 día han sidocolocadas en una región similar de un embrión de pollo de 1 día.B.Luego de varios días, las células de codorniz puedenvisualizarse utilizando un anticuerpo para proteínas específicasde codorniz. Esta región del embrión de 3 días produce célulasque forman parte del tubo neural.C.Las células de pollo y decodorniz pueden distinguirse por la heterocromatina de susnúcleos. Resultados de un experimento similar al de(A)peroutilizando la heterocromatina de los núcleos como marcadores.Las células de codorniz tienen un nucléolo único grande (teñidomorado), distinguiéndose del núcleo difuso del pollo. (Según

Darnell y Schoenwolf 1997; fotografía cortesía de los autores.)

A C

B




marca con colorantes fluorescentes ha permitido seguirel movimiento individual de las células de la cresta neu-ral cuando ellas forman los linajes pigmentario, surpra-rrenal y neuronal (véase cap. 13).

Además del desplazamiento de las células pigmen-tadas, otra migración a gran escala incluye la que reali-zan las células germinales primordiales (que migran apartir de células del saco vitelino hacia las gónadas yforman el espermatozoide o el gameto femenino) y lade los precursores celulares sanguíneos (que en los ver-tebrados pasan por varias migraciones para colonizar elhígado y la médula ósea).

Embriología evolutivaLa teoría de la evolución de Charles Darwin reestructu-

ró la embriología comparada y le dio un nuevo enfoque.Luego de la lectura del resumen de Johannes Mülleracerca de las leyes de von Baer en 1842, Darwin vioque las semejanzas embrionarias podrían constituir unargumento muy fuerte a favor de las relaciones genéti-cas de los diferentes grupos de animales. “La comuni-dad de estructura embrionaria revela la comunidad deorigen,” él concluiría en su obra Sobre el origen de lasespecies en 1859.

No obstante antes de Darwin, las formas larvaleshabían sido usadas para la clasificación taxonómica.J. V. Thompson, por ejemplo, había demostrado que laslarvas de percebes eran casi idénticas a las larvas de

cangrejos, y por esta razón consideró a los percebescomo artrópodos, no como moluscos (fig. 1-12; Winsor1969). Darwin, un experto sobre la taxonomía de lospercebes, celebró este hallazgo: “Incluso el ilustreCuvier no había percibido que el percebe es un crustá-

ceo, pero una mirada a esta larva nos muestra a ésta deuna manera inequívoca”. La interpretación evolutiva delas leyes de von Baer por Darwin estableció un para-digma que fue seguido durante muchas décadas, con-cretamente, las relaciones entre los grupos pueden serdescubiertas mediante el hallazgo de formas embriona-rias o larvales comunes. Kowalevsky (1871) haría undescubrimiento similar (publicado en el libro deDarwin El ascendiente del hombre, 1874) en el que laslarvas de tunicados tienen notocorda y bolsas faríngeas,y que ellas forman su tubo neural y otros órganos de unmodo muy similar al del primitivo cordado Anfioxo.Los tunicados, otro enigma en los esquemas de clasifi-cación (anteriormente colocados, junto con los perce-bes, entre los moluscos), encontraron de este modo unlugar entre los cordados.

Darwin además observó que los organismos embriona-rios a veces generan estructuras que son inapropiadas parasu forma adulta, pero que muestra sus relaciones con otrosanimales. Él indicó la existencia de ojos en los embrionesde topo, rudimentos pélvicos en los embriones de víborasy dientes en los embriones de ballenas barbadas.

Darwin también sostuvo que las adaptaciones quese alejan “del tipo” y permiten a un organismo sobre-vivir en su ambiente específico se desarrollan poste-riormente en el embrión.* Observó que las diferencias


Fig. 1-11. Migración de las células de la cresta neural. A.Pollo obtenido como resultado del trasplante de la cresta neural de laregión del tronco desde un embrión de una estirpe pigmentada de pollos hacia una región semejante de un embrión de una estirpeno pigmentada. Las células de la cresta neural que dan origen al pigmento han migrado hacia la epidermis del ala y de las plumas.B. Técnica para seguir a las células de la cresta neural utilizando tejido radiactivo. C.Radioautografía que muestra laslocalizaciones de las células de la cresta neural que han migrado desde las células donantes radiactivas. Estas células formanmelanocitos formadores de pigmento (M), células de los ganglios neurales simpáticos (GS), células de los ganglios de la raíz dorsal(GRD) y células gliales (G). (A, fotografía original de los archivos de B. H. Willier;B, según Weston 1963; Ccortesía de J. Weston.)

* Sin embargo, como fue observado en primer lugar porWeismann (1875), las larvas deben tener sus propias adaptacio-nes que les ayuden a sobrevivir. La mariposa de virrey adultaimita a la mariposa de monarca, pero la oruga de virrey no imitaa la bella larva de monarca. En su lugar, la larva de virrey evitaser descubierta al parecerse a los excrementos de las aves (Begony col. 1986).

A B C




entre especies dentro de un género se hacen mayorescuando persisten en el desarrollo, tal como fue predichopor las leyes de von Baer. Debido a esto, Darwin reco-noció dos modos de ver el “origen con modificación”.Uno podría hacer énfasis sobre el origen común al seña-lar las semejanzas embrionarias entre dos o más gruposde animales, o uno podría resaltar las modificacionespor las que se muestra cómo el desarrollo fue alteradopara producir estructuras que permitían a los animalesadaptarse a una condición en particular.

Hom ologías embr ionari as

Una de las distinciones más importantes hecha por losembriólogos evolutivos era la diferencia entre analogíay homología. Ambos términos se refieren a estructurasque parecen ser similares. Las estructuras homólogasson aquellos órganos cuyas semejanzas subyacentesson el resultado de haber sido derivados a partir de unaestructura ancestral común. Por ejemplo, el ala de unave y la extremidad anterior de un ser humano sonhomólogas. Además, sus respectivas regiones sonhomólogas (fig. 1-13). Las estructuras análogas sonaquellas cuyas semejanzas se deben a que llevan a cabouna función similar, en lugar de ser derivadas a partirde un ancestro común. Por ejemplo, el ala de una mari-

posa y el ala de un ave son análogas; los dos tipos dealas comparten una función común (y por esta razón sedenominan alas), pero el ala del ave y el ala del insec-to no se originaron a partir de una estructura ancestraloriginal común que se convirtió, modificada por la evo-lución, en las alas del ave y en las de la mariposa.*

Las homologías deben ser hechas cuidadosamente ydeben referirse siempre al nivel de organización compa-rado. Por ejemplo, el ala de un ave y el ala de un mur-ciélago son homólogas como extremidades anteriores,pero no como alas. En otras palabras, comparten unaestructura subyacente común de huesos de la extremidad

anterior, debido a que las aves y los mamíferos compar-ten un ancestro común. Sin embargo, el ala del ave sedesarrolló de manera independiente del ala del murciéla-go. Los murciélagos descienden de una larga línea demamíferos sin alas, y la estructura del ala del murciélagoes marcadamente diferente de la del ave.

Uno de los casos más celebrados de las homologíasembrionarias es la del cartílago branquial del pez, la man-díbula (maxilar) del reptil y el oído medio del mamífero(revisión en Gould 1990). En todos los vertebrados man-dibulados, incluidos los peces, el primer arco faríngeogenera el aparato mandibular (maxilar). Las células de lacresta neural de este arco migran para formar el cartílagode Meckel, el precursor de la mandíbula (véase fig. 1-3).En los anfibios, reptiles y aves, la porción posterior de estecartílago forma el hueso cuadrado del maxilar superior yel hueso articular del maxilar inferior. Estos huesos seconectan entre sí y están involucrados en articular losmaxilares superior e inferior. Sin embargo, en los mamífe-ros, esta articulación se produce en otra región (huesosescamoso y dentario), “liberando” así a estos elementosóseos para adquirir nuevas funciones.

El hueso cuadrado del maxilar superior de los reptilesevolucionó hasta el hueso del yunque del oído medio y elhueso articular del maxilar inferior de los reptiles llegó aser nuestro martillo (Goodrich 1930; Wang y col. 2001).Este último proceso fue descrito inicialmente porReichert en 1837, cuando observó en el embrión de cerdoque la mandíbula (hueso mandibular) se osificaba sobreel lado del cartílago de Meckel, mientras que la regiónposterior del cartílago de Meckel se osificaba, separán-dose del resto del cartílago, y entrando en la región deloído medio para llegar a ser el martillo (fig. 1-14).

Pero la historia no termina aquí. La porción superiordel segundo arco embrionario en el que se apoyaba labranquia llegó a ser el hueso hiomandibular de los pecesmandibulados. Este elemento sostiene el cráneo y une lamandíbula al cráneo (fig. 1-14A). Como los vertebradosse mueven sobre la tierra, tienen un nuevo problema:cómo oír en un medio tan delgado como el aire. El hueso

hiomandibular casualmente está cerca de la cápsula ótica(oído) y el material óseo es excelente para transmitirsonidos. Debido a esto, mientras todavía funciona comouna estructura de soporte del cráneo, el hueso hiomandi-bular de los primeros anfibios también comenzó funcio-nando como un transductor de sonidos (Clack 1989).Como los vertebrados terrestres alteraron su locomoción,estructura mandibular y postura, el cráneo llegó a estarfirmemente unido al resto de la cabeza y no necesitó elsoporte hiomandibular. El hueso hiomandibular parecióluego haberse especializado en el hueso del estribo deloído medio. La que había sido una función secundariadel hueso llegó a ser una función primaria.

Por esta razón, los huesos del oído medio de los mamí-feros son homólogos al maxilar inferior posterior de losreptiles y a los arcos branquiales de los peces agnatos. Enel capítulo 22 se detallará la información más reciente conrespecto a la relación entre el desarrollo y la evolución.

16 Capítulo 1

Fig. 1-12. Larvas nauplius deA.un percebe (Tetraclita , vistoen su lado ventral) yB.de un camarón (Penaeus , visto en sulado dorsal). El camarón y el percebe comparten un estadolarval similar a pesar de su radical divergencia en el desarrollotardío. (Según Müller 1864.)

* Nota del traductor: los tetrápodos se caracterizan por poseer cua-tro extremidades, dos anteriores y dos posteriores. La denomina-ción que reciben las extremidades con respecto a su posiciónespacial se refiere a la posición que ocupan con relación al eje lon-gitudinal de estos organismos. En el caso del ser humano suelenrecibir la denominación de extremidades superiores e inferioresrespectivamente (anatomistas) basado en la bipedestación caracte-rística y en la posición erecta que éstos adoptan. Para el caso deeste texto se utilizará el concepto de extremidad anterior y poste-rior ya que resulta de mayor utilidad para la comprensión de losconceptos que serán abordados.

Tetraclita Penaeus

A B





Fig. 1-14. Estructura de la mandíbula en el pez, reptil y mamífero.A.Homologías de mandíbulas y arcos branquiales tal como se

ven en el cráneo de tiburón paleozoicoCobedelus aculentes . B.Vista lateral de un cráneo de caimán. La porción articular de lamandíbula inferior articula con el hueso cuadrado del cráneo.C.Vista lateral del cráneo humano, que muestra la unión de lamandíbula inferior con la región escamosa (temporal) del cráneo. En los mamíferos, el hueso cuadrado se vuelve interno para formarel yunque del oído medio. El hueso articular retiene su contacto con el cuadrado, transformándose en el martillo del oído medio.(A, según Zangerl y Williams 1975.)

Fig. 1-13. Homologías de estructura entre un brazo humano, un extremo anterior de foca, un ala de ave y un ala de murciélago;las estructuras homólogas de soporte se muestran en el mismo color. Los cuatro son homólogos como extremidades anteriores yfueron derivados de un ancestro tetrápodo común. Las adaptaciones de las extremidades anteriores del ave y del murciélago paravolar, sin embargo, evolucionaron independientemente una de otra, después que dos linajes divergieron de su ancestro común. Porlo tanto, como alas no son homólogas, pero sí análogas.

A B C




Embriología médica y teratologíaMientras que los embriólogos podrían examinar embrio-nes para describir la evolución de la vida y cómo los dife-rentes animales forman sus órganos, los médicos sellegaron a interesar en los embriones por razones másprácticas. Entre un 2 y un 5% de los niños humanos nacecon una anomalía anatómica fácilmente observable(Thorogood 1997). Estas anomalías pueden incluir ausen-cia de miembros, dígitos extras o ausentes, hendidura delpaladar, ojos que carecen de ciertas partes, corazón sin vál-vulas, etc. Los médicos necesitan conocer las causas deestas anomalías del desarrollo para, de este modo, poderaconsejar a los padres sobre el riesgo de tener otro niñomalformado. Además, el estudio de las anomalías deldesarrollo (alteraciones congénitas) puede decirnos cómose forma normalmente el cuerpo humano. Ante la ausenciade datos experimentales sobre embriones humanos, amenudo debemos confiar en los “experimentos” de lanaturaleza para aprender cómo el cuerpo humano se orga-niza.* Algunas anomalías del desarrollo son producidas

por genes o cromosomas mutantes, y algunas son produci-das por factores ambientales que dificultan el desarrollo.

Las anomalías provocadas por acontecimientos genéti-cos (mutaciones de genes, traslocaciones o aneuploidíascromosómicas) se denominan malformaciones. Las mal-formaciones aparecen frecuentemente como síndromes(del griego, “aparecer juntos”), en los que varias anomalí-as se presentan simultáneamente. Por ejemplo, una mal-formación humana llamada piebaldismo (albinismo

localizado), mostrada en la figura 1-15A, es debida a unamutación dominante en un gen (KIT ) sobre el brazo largodel cromosoma 4 (Spritz y col. 1992). El síndrome piebál-dico incluye anemia, esterilidad, regiones de la piel y delpelo sin pigmentar, sordera y ausencia de neuronas queprovoquen peristalsis en el intestino. La característicacomún subyacente a estas condiciones es que el gen KIT

codifica una proteína que es expresada en las células de lacresta neural y en los precursores de las células sanguíne-as y en las células germinales. La proteína Kit le permite aestas células proliferar. Sin esta proteína, las células de lacresta neural –que generan las células pigmentadas, algu-nas células del oído y las neuronas del intestino– no semultiplican tan ampliamente como lo deberían hacer(resultando en una disminución de la pigmentación, sor-dera y malformación intestinal), tampoco producen pre-cursores de las células sanguíneas (resultando en anemia)o de las células germinales (resultando en esterilidad).

Los biólogos del desarrollo y los genetistas clínicosestudian a menudo los síndromes humanos (y determinan

sus causas) a través del estudio de animales que presentanel mismo síndrome. Éstos son denominados modelos ani-males de las enfermedades; el modelo de ratón para el pie-baldismo se muestra en la figura 1-15B. Éste tiene unfenotipo muy similar al de la condición humana, y es cau-sado por una mutación en el gen Kit del ratón.*

18 Capítulo 1

* La palabra “monstruo”, frecuentemente utilizada en los libros detexto previos a la mitad del siglo XX para describir a los niños mal-formados, proviene del latín monstrare, “mostrar o señalar”. Ésta estambién la raíz de la palabra inglesa demonstrate (mostrar). FueMeckel (el del famoso cartílago de la mandíbula) quien se dio cuen-ta de que los síndromes de anomalías congénitas mostraban algunosprincipios sobre el desarrollo normal. Las regiones del cuerpo queestaban afectadas conjuntamente debían tener un origen o mecanis-mos de desarrollo común que estaban siendo afectados.

Fig. 1-15. Anomalías deldesarrollo provocadas pormutación genética.A.Piebaldismoen un niño. Esta condiciónproducida genéticamente generaesterilidad, anemia y regiones pocopigmentadas de la piel y el pelo,

junto con un defectuoso desarrollode las neuronas del intestino y eloído. El piebaldismo es causado poruna mutación en el genKIT . Laproteína Kit es esencial para laproliferación y migración de lascélulas de la cresta neural,precursores de la célula germinal yprecursores de las célulassanguíneas. B.Ratón piebáldicocon una mutación en el genKit .Los ratones proporcionanimportantes modelos para estudiarlas enfermedades del desarrollo delos seres humanos. (Fotografíacortesía de R. A. Fleischman.)

* Los genes Kit de ratón y KIT del ser humano son consideradoshomólogos por sus semejanzas estructurales y su supuesto ancestrocomún. Los genes humanos están escritos usualmente en itálica ycon todas sus letras en mayúscula. Los genes de ratón están escri-tos en itálica, pero generalmente tienen solo la primera letra enmayúscula. Los productos de genes –proteínas– no llevan itálica. Sila proteína no tiene un criterio bioquímico o nombre fisiológico,generalmente se la representa con el nombre del gen en tipo roma-no, con la primera letra en mayúscula. Sin embargo, estas reglasfrecuentemente no son respetadas. Uno recuerda la sentencia deCohen (1982) que “los académicos son más proclives a compartirsus cepillos de dientes que la nomenclatura”.

A B




Las anomalías causadas por agentes exógenos (algu-nos agentes químicos o virus, radiación o hipertermia)son denominadas disrupciones. Los agentes responsa-bles de estas alteraciones químicas son denominadosteratógenos (griego, “monstruo-formadores”), y el estu-dio de cómo los agentes ambientales alteran el desarrollonormal se denomina teratología. Los teratógenos atraje-ron la atención del público a comienzos de la década de1960. En 1961, Lenz y McBride de manera independien-te acumularon evidencia de que la droga talidomida,recetada como un sedante suave a numerosas mujeresembarazadas, provocó un gran aumento de un síndromede anomalías congénitas que previamente era muy pocofrecuente. La focomelia fue la anomalía más evidente,una condición en la que la longitud ósea de los miembroses deficiente o en casos extremos estos están ausentes(fig. 1-16A). Nacieron cerca de 7.000 niños afectados demujeres que tomaron talidomida, y para producir niñoscon los cuatro miembros deformados una mujer necesi-taba tan solo haber tomado una tableta (Lenz 1962, 1966;

Toms 1962). Otras anomalías inducidas por la ingestiónde esta droga incluyeron defectos cardíacos, ausencia deoídos externos e intestinos malformados.

Nowack (1965) documentó el período de susceptibi-lidad durante el cual la talidomida provocaba estas mal-formaciones. La droga fue hallada teratogénica solodurante los días 34-50 luego de la última menstruación(20-36 días posconcepción). La especificidad de la acciónde la talidomida se muestra en la figura 1-16B. A partirdel día 34 hasta el día 38, no se observan anomalías de losmiembros. Durante este período, la talidomida puede pro-vocar la ausencia o deficiencia de los componentes deloído. Las malformaciones de los miembros superiores se

observan antes que las de los miembros inferiores, debi-do a que durante el desarrollo los brazos se forman unpoco antes que las piernas. Los únicos modelos animalespara la talidomida, sin embargo, son los primates, y toda-vía no sabemos para algunos de los mecanismos por qué

esta droga provoca alteraciones en el desarrollo humano(aunque ésta parece trabajar mediante el bloqueo dealgunas moléculas del mesodermo en desarrollo). La tali-domida fue retirada del mercado en noviembre de 1961,pero se ha comenzado a recetar nuevamente (aunque nopara las mujeres embarazadas), como una droga poten-cialmente antitumoral y anti-autoinmunitaria (véase cap.21; Raje y Anderson 1999).

La integración de la información anatómica sobre lasmalformaciones congénitas con nuestro nuevo conoci-miento acerca de los genes responsables del desarrolloha tenido efectos revolucionarios y está reestructurandoactualmente la medicina. Esta integración está permi-tiendo descubrir los genes responsables de las malfor-maciones heredadas, y esto posibilita identificar lasetapas en el desarrollo que están siendo alteradas porteratógenos. Veremos ejemplos de esta integración a lolargo de este texto, y en el capítulo 21 se detallaránalgunos de los nuevos descubrimientos destacables enteratología humana.

Modelado matemático del desarrolloLa biología del desarrollo ha sido descrita como el últi-mo refugio de los científicos matemáticamente incompe-tentes. Este fenómeno, sin embargo, no va a durar.Mientras que la mayoría de los embriólogos han estadosatisfechos tratando de analizar instancias específicas deldesarrollo o hasta formulando principios generales deembriología, algunos investigadores buscan ahora leyescuantificables del desarrollo. El objetivo de estos investi-gadores es basar su embriología sobre matemática formalo principios físicos (véase Held 1992; Webster y

Goodwin 1996; Salazar-Ciudad y col. 2000, 2001). Laformación de patrones y el crecimiento son dos áreas enlas que tales modelados matemáticos han ayudado a losbiólogos a comprender algunas leyes subyacentes deldesarrollo animal.


Fig. 1-16. Anomalías del desarrollo causadas por un agente ambiental. A.Focomelia, la falta de un desarrollo apropiado delmiembro, fue el defecto al nacimiento más visible que ocurría en muchos niños de madres que tomaron la droga talidomidadurante el embarazo.B.La talidomida interrumpe diferentes estructuras a diferentes tiempos del desarrollo humano.(Fotografía ©Deutsche Presse/Archive Photos; B, según Nowack 1965.)

A B




Las mat emát icas del crecim ien to del organismo

La mayoría de los animales crece aumentando su volu-men mientras que conserva sus proporciones.Teóricamente, un animal que aumenta su peso (volumen)duplicándolo, incrementará su longitud solo 1,26 veces(es decir, 1,263 = 2). W. K. Brooks (1886) observó queesta proporción era hallada con frecuencia en la natura-

leza, y destacó que los artrópodos recogidos de alta marpor la expedición del Challenger aumentaban alrededorde 1,25 veces entre una muda y la otra. En 1904,Przibram y col. llevaron a cabo un estudio detalladosobre la mantis y encontraron que el incremento del

tamaño entre dos mudas fue casi exactamente de 1,26(véase Przibram 1931). Incluso las facetas hexagonalesdel ojo del artrópodo (que crece por expansión celular, nopor división celular) se incrementan por este radio.

D’Arcy Thompson (1942) mostró de forma semejante que el crecimiento en espiral de las conchas (y delas uñas) puede ser expresado matemáticamente comor = aθ, y que el ancho del radio entre dos vueltas de unaconcha (caparazón) puede ser calculado mediante lafórmula r = e2πcotθ (fig. 1-17; cuadro 1-1). Así, si la vuel-ta fuera de 2,5 cm de ancho en un punto sobre el radioy el ángulo de la espiral fuera de 80º, la siguiente vuel-ta tendría una anchura de 7,5 cm en el mismo radio. Lamayoría de los gasterópodos (caracol) y de los molus-cos nautiloides tienen un ángulo de curvatura entre 80ºy 85º.* Ángulos de curvaturas más bajos son vistos enalgunas conchas (principalmente bivalvos) y soncomunes en dientes y garras (o pinzas).

Este tipo de crecimiento, en el que la forma es con-servada debido a que todos los componentes crecen almismo ritmo, se denomina crecimiento isométrico. Enmuchos organismos, sin embargo, el crecimiento no esun fenómeno uniforme. Es obvio que hay algunos perí-odos en la vida de un organismo durante los cuales elcrecimiento es más rápido que en otros. El crecimientofísico durante los 10 primeros años de vida de una per-sona es mucho más intenso que en los 10 años siguien-tes a la graduación de alguien en el colegio. Por otra

20 Capítulo 1

Fig. 1-17. Patrón de crecimiento espiral equiangular. A.Elcuerno de un carnero y la concha de unNautil us pompilius (acorazado o perlado) muestran crecimiento espiral equiangular.La concha del nautilus está cortada en una sección transversal.B.Análisis de René Descartes de un espiral equiangular,mostrando que si la curva corta cada vector de radio a unángulo constante (simbolizado por θ), luego la curva crececontinuamente sin cambiar alguna vez su forma. (A, del autorde la colección;B, según Thompson 1942.)

Cuadro 1-1 Ángu lo const ant e de una espiral

equiangular y el ancho del radio

ent re las vueltas

Ángulo constan te

90º

89º8’

86º18’

83º42’

80º5’

75º38’

69º53’

64º31’

58º5’

53º46’

42º17’

34º19’

28º37’24º28’

Ancho del radio a

1,0

1,1

1,5

2,0

3,0

5,0

10,0

20,0

50,0

102

103

104

105

106

Fuente: De Thompson 1942.a El ancho del radio se calcula mediante la división del ancho deuna vuelta por el ancho de la siguiente vuelta más grande.

* Si el ángulo fuera 90º, la concha formará un círculo más que unespiral y el crecimiento se detendría. Sin embargo, si el ángulofuera de 60º la siguiente vuelta sería de 1,2 metros en ese radio, ysi el ángulos fuera de 17º, la siguiente vuelta ocuparía una distan-cia de unas 24.000 kilómetros. Curiosamente, el técnico de labora-torio en los estudios de la mantis de Przibram era Alma Mahler, lamusa académica de la Viena de fin de siecle.

A

B




parte, todas las regiones del cuerpo no crecen a lamisma velocidad. Este fenómeno de diferente velocidadde crecimiento de las partes dentro de un mismo orga-nismo se denomina crecimiento alométrico (o alome-tría). La alometría humana es representada en la figura1-18. Nuestros brazos y piernas crecen a mayor veloci-dad que nuestra cabeza y torso, de modo tal que las pro-porciones del adulto difieren significativamente de lasde los niños. Julian Huxley (1932) comparó la alome-tría con depositar dinero en un banco en dos tasas deintereses continuas diferentes.

La fórmula para el crecimiento alométrico (o paracomparar monedas invertidas a dos tasas de interesesdiferentes) es y = bxa/c, donde a y c representan las velo-cidades de crecimiento de las dos regiones del cuerpo, yb es el valor de y cuando x = 1. Si a/c>1, consecuente-mente aquella parte del cuerpo representada por a estácreciendo más rápido que aquella parte del cuerpo repre-sentada por c. En términos logarítmicos (que son másfáciles de graficar), log y = log b + (a/c)log x.

Uno de los ejemplos más gráficos de crecimiento alo-

métrico se observa en el cangrejo violinista macho, Uca pugnax. En los machos pequeños, las dos pinzas son deigual peso, constituyendo cada una de ellas cerca del 8%del peso total del cangrejo. Cuando el cangrejo crece, sutenaza (la pinza prensadora más grande) crece aún másrápidamente, constituyendo finalmente cerca del 38% delpeso del cangrejo (fig. 1-19). Cuando estos datos son tra-zados sobre gráficos doble logarítmicos (con la masa cor-poral sobre el eje x y la masa de la pinza más grandesobre el eje y), se obtiene una línea recta cuya pendientees el radio a/c. En el macho Uca pugnax (cuyo nombrees derivado de su enorme pinza), la proporción a/c es 6:1.Esto significa que la masa de la pinza más grande aumen-

ta 6 veces más rápido que la masa del resto del cuerpo.En hembras de esta especie, las pinzas conservan a lolargo del desarrollo cerca del 8% del peso corporal. Estaalometría se produce únicamente en los machos (quie-nes usan esta pinza para defenderse y exhibirse).

Los recientes modelos sobre crecimiento isométrico yalométrico han tenido en cuenta los ritmos metabólicos,cambios en la historia de vida y proporción de muerte celu-lar (véase West y col. 2001). Las relaciones entre los pará-metros de crecimiento físico y genético y la coordinaciónde ritmos de crecimiento en todo el organismo sigue sien-do un área fascinante que unifica el desarrollo con la fisio-logía y la medicina.

La matemát ica de lo s patr on es

Uno de los modelos más importantes en biología deldesarrollo fue formulado por Alan Turing (1952), unode los fundadores de la ciencia informática (y el mate-mático que descifró el código alemán “Enigma” duran-te la Segunda Guerra Mundial). Él propuso un modeloen el cual dos soluciones distribuidas homogéneamenteinteractúan para producir patrones estables durante lamorfogénesis. Estos patrones representan diferenciasregionales en la concentración de dos sustancias. Susinteracciones producirían una estructura ordenada fuera

del caos arbitrario.El modelo de reacción-difusión de Turing involu-

cra dos sustancias. La sustancia P promueve la produc-ción de más sustancia P así como de sustancia S. Lasustancia S, sin embargo, inhibe la producción de sus-tancia P. Las matemáticas de Turing muestran que siS se difunde más fácilmente que P, serán generadasondas (elevaciones) agudas de diferencias de concen-tración para la sustancia P (fig. 1-20). Estas ondas hansido observadas en algunas reacciones químicas(Prigogine y Nicolis 1967; Winfree 1974).

El modelo de reacción-difusión predice áreas alter-nadas de alta y baja concentración de alguna sustancia.

Cuando la concentración de una de estas sustancias seencuentra por encima de un cierto nivel umbral, unacélula (o grupo de células) puede ser instruida a diferen-ciarse en alguna dirección. Una característica importantedel modelo de Turing es que longitudes de onda química


Fig. 1-18. Alometría en seres humanos. La cabeza del embrión es excesivamente larga en proporción al resto del cuerpo. Después delperíodo embrionario, la cabeza crece más lentamente que el torso, manos y piernas. La alometría humana ha sido representada en elarte occidental y solo a partir del Renacimiento. Anteriormente, los niños se parecían a pequeños adultos. (Según Moore 1983.)




específicas serán amplificadas, mientras que todas lasotras serán suprimidas. Como las concentraciones loca-les de P aumentan, los valores de S generan un pico cen-trado sobre el pico de P, pero se vuelve más amplio y

más bajo debido a que S tiene difusión más rápida. Estepico de S inhibe la formación de otro pico de P. ¿Perocuáles picos de P sobrevivirán? Esto depende del tama-ño y la forma de los tejidos en los que se produce la osci-lación de la reacción. (Este patrón es análogo al de losarmónicos de la vibración de las cuerdas, como en una

guitarra. Solo algunas vibraciones de resonancia sonpermitidas, basadas en los límites de la cuerda.)Las matemáticas, compuestas de complejas ecua-

ciones polinómicas, describen qué longitudes de ondaespecíficas son seleccionadas. Tales funciones fueronutilizadas para modelar el patrón en espiral del mohomucilaginoso (del fango o del limo), la organizaciónpolar de los miembros y los patrones de los pigmentos enlos mamíferos, peces y caracoles (figs. 1-21 y 1-22;Kondo y Asai 1995; Meinhardt 1998). Una simulaciónpor computadora basada en el sistema de reacción-difu-sión de Turing, considerando las formas de partida y lostamaños de los elementos implicados, puede reproducircon éxito tales modelos.

Un camino para investigar las predicciones químicasmediante el modelo de Turing es encontrar las mutacio-nes genéticas en las que la estructura ordenada de unpatrón se ha visto alterada. Los alelos tipo salvaje deestos genes pueden ser responsables de la generación delpatrón normal. Uno de estos candidatos es el gen leopard (leopardo) del pez cebra (Asai y col. 1999). El pez cebraen general, tiene cinco bandas paralelas a lo largo de susflancos. Sin embargo, en las diferentes mutaciones, lasbandas están entrecortadas transformándose en manchas(o lunares) de diferentes tamaños y densidades. La figu-ra 1-22 muestra un pez homocigota para cuatro alelosdiferentes del gen leopard . Si el gen leopard codifica unaenzima que cataliza una de las reacciones del sistema de

22 Capítulo 1

Fig. 1-20. Generación de patrón en el sistema reacción-difusión (modelo de Turing). La generación de heterogeneidades espaciales

periódicas puede producirse espontáneamente cuando dos reactantes, S y P, se mezclan juntos en condiciones tales que S inhibe a P,P cataliza la producción de S y P, y S se difunde más rápido que P.A.Las condiciones del sistema de reacción-difusión producen en elmismo lugar un pico de P y un pico más bajo de S.B.La distribución de los reactantes es inicialmente al azar y sus concentracionesfluctúan en un determinado rango. Como P se incrementa localmente, éste produce más S, que se difunde para inhibir más picos deP que se forman en la vecindad de su producción. El resultado es una serie de picos de P (“olas sostenidas”) a intervalos regulares.

Fig. 1-19. Espécimen macho de cangrejo violinista,Uca pugnax . El crecimiento alométrico se produce únicamente enlas pinzas de los machos. En las hembras (no mostrado), ambaspinzas conservan su crecimiento isométrico. (Fotografía cortesíadel laboratorio Swarthmore College Marine Biology.)

A B




reacción-difusión, las diferentes mutaciones de este genpueden cambiar la cinética de la síntesis o degradación.En efecto, todos los patrones mutantes (y aquellos de susheterocigotas) pueden ser generados por computadoramediante el cambio de un único parámetro en la ecuaciónde reacción-difusión. La clonación de estos genes debe-

ría permitir la cooperación adicional entre la biologíateórica y la anatomía del desarrollo.

SITIO WEB 1.4 Los antecedentes mate-máticos de la formación de patrones (Themathematical backgound of pattern for-mation). Las ecuaciones que modelan la for-mación del patrón son una serie de derivadosparciales que representan índices de la sínte-sis, de la degradación y de la difusión de lasmoléculas del activador y del inhibidor.

SITIO WEB 1.5 ¿Cómo hace el pez cebra (yel pez ángel) para obtener sus bandas?

(How do zebras (and angelfish) get theirstripes?) Nadie lo sabe con certeza, pero laadición de las ecuaciones de Turing que seconocen sobre la embriología del equino per-mite modelar cómo cada una de las tres espe-cies conocidas de cebra adquieren su patrónúnico de bandas. Del mismo modo, cambian-do alguno de los parámetros de la ecuación deTuring se pueden predecir los diferentespatrones de pigmentación del pez ángel.


Fig. 1-21. Fotografía de un caracolOliva porphyria (izquierda),y un modelo por computadora del mismo caracol (derecha) enel que los parámetros de crecimiento de la concha y de supatrón de pigmentación fueron generados matemáticamente.(De Meinhardt 1998; imagen de computadora cortesía de D.Fowler, P. Prusinkiewicz y H. Meinhardt.)

Fig. 1-22. Patrones de pigmentos del pez cebra homocigota para el alelo tipo salvaje (A)y para tres alelos mutantes diferentes(B-D) del gen leopard . Debajo se muestran simulaciones por computadora de los patrones de pigmento. Las letras corresponden alos fenotipos del pez en los paneles superiores. Cambiando un único parámetro de la ecuación de reacción-difusión se produce uncambio en el patrón. Cuando los valores de estos parámetros llegan a ser más grandes, las bandas se rompen en manchas, lascuales se vuelven más pequeñas y menos densas. (De Asai y col. 1999; fotografía cortesía de S. Kondo.)

A B

C D

A B C D




24 Capítulo 1

1. Los organismos deben funcionar mientras forman susórganos. Tienen que utilizar un conjunto de estructu-ras mientras construyen otras.

2. La pregunta principal del desarrollo es ¿cómo se con-vierte la célula huevo en un adulto? Esta preguntapuede separarse en los problemas que forman partede la diferenciación (¿cómo las células llegan a serdiferentes una de la otra y a partir de sus precurso-res?), morfogénesis (¿cómo se genera una formaordenada?), crecimiento (¿cómo se regula el tama-ño?), reproducción (¿cómo una generación da origena otra generación?), evolución (¿cómo pueden loscambios en el proceso de desarrollo dar origen a nue-vas estructuras anatómicas?) y ambiental (¿cómoafectan las condiciones físicas y químicas del

ambiente el desarrollo de un organismo?).

3. Se produce la epigénesis. Nuevos organismos son cre-ados de novo en cada generación a partir del citoplas-ma relativamente desordenado de la célula huevo.

4. La preformación no se encuentra en la estructuraanatómica, sino en las instrucciones para formarlas.La herencia de la célula huevo incluye los potencia-les genéticos del organismo.

5. Las instrucciones nucleares preformadas incluyen lahabilidad para responder a estímulos ambientales en

direcciones específicas.

6. El ectodermo da origen a la epidermis, al sistemanervioso y a las células pigmentadas.

7. El mesodermo genera el riñón, las gónadas, el múscu-lo, los huesos, el corazón y las células sanguíneas.

8. El endodermo forma el revestimiento del tubo diges-tivo y del sistema respiratorio.

9. Los principios de Karl von Baer sostienen que lascaracterísticas generales de un grupo más grande de

animales aparecen más temprano en el embrión quelas características especializadas de un grupo peque-ño. Cuando cada embrión de una especie dada sedesarrolla, esta especie diverge de la forma adulta de

otras especies. El embrión temprano de una especieanimal “superior” no es como el adulto de un animal“inferior”.

10. Células marcadas con colorantes muestran que algu-nas células se diferencian en el lugar en el que se for-man, mientras que otras migran a partir de su sitiooriginal y se diferencian en sus nuevas localizacio-nes. Las células que migran incluyen las células dela cresta neural y los precursores de las células ger-minales y de las células sanguíneas.

11. “La comunidad de estructura embrionaria revela lacomunidad de origen” (Charles Darwin, Sobre elorigen de las especies).

12. Las estructuras homólogas en diferentes especies sonaquellos órganos cuya similitud es debida a que com-parten una estructura ancestral común. Las estructurasanálogas son aquellos órganos cuya similitud viene delhecho de servir a una función similar (pero que noderiva a partir de una estructura ancestral común).

13. Las anomalías congénitas pueden ser causadas porfactores genéticos (mutaciones, aneuploidías, traslo-caciones) o por agentes ambientales (algunos quími-cos, algunos virus, radiación).

14. Los síndromes consisten en un grupo de anomalías

del desarrollo que “aparecen juntas”.

15. Los órganos que están relacionados en los síndromesde desarrollo comparten además un origen común oun mecanismo común de formación.

16. Si el crecimiento es isométrico, una duplicación en elpeso causará una expansión de 1,26 en la longitud.

17. El crecimiento alométrico puede generar cambiossignificativos en la estructura de los organismos.

18. Los patrones complejos pueden ser autogenerados

por los eventos de reacción-difusión, donde el acti-vador de un fenómeno local estimula la producciónde más de sí mismo así como la producción de unfactor inhibidor más difusible.

Prin cip io s de desarro llo : anat omía del desarro llo

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26 Capítulo 1

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Biología Del Desarrollo 2005