sábado, 14 de mayo de 2011

La arquitectura de la vida


Tensegridad celular

La integridad tensional o tensegridad es un modelo explicativo de la organización de ciertas estructuras de tipo dinámico no solo en el campo de la arquitectura y la ingeniería si no también en biología.

Este principio arquitectónico se refiere a un tipo de estructuras formadas por componentes aislados comprimidos que se encuentran dentro de una red tensada continua, de tal modo que los miembros comprimidos (generalmente barras) no se tocan entre sí y están unidos únicamente por medio de componentes en tensión, es decir traccionados (habitualmente cables), que son los que forman los límites espaciales del sistema.

El término Tensegridad, proviene del inglés: Tensegrity, y fue creado por el arquitecto Buckminster Fuller (inventor de los domos geodésicos y primer teórico de la tensegridad), y es una contracción de tensional integrity (integridad tensional).

Fuller define los sistemas de tensegridad como estructuras que estabilizan su forma mediante tensión continua o "integridad tensional" en lugar de por compresión continua , como se utiliza en un arco de piedra.

“Un sistema de tensegridad es un sistema en estado de auto equilibrio estable y está formado por un conjunto discontinuo de componentes comprimidos en el interior de un continuo de componentes tensos".

Una estructura de tensegridad se compone de piezas o elementos, en "tensión", que trabajan en oposición a otros elementos que sirven de apoyo y que se resisten a ser comprimidos.

Estos elementos se equilibran de tal forma que al tensarse estabilizan toda la estructura.

¿Qué tienen en común el cuerpo humano, la carpa de un circo y el aparejo de un velero?: La tensegridad.

En el cuerpo humano, los huesos son los puntos de apoyo en compresión que se oponen a la tensión creada por las partes elásticas (músculos, fascias, ligamentos, etc).

En un barco de vela, el mástil, los esparcidores y el casco actúan como elementos de compresión que trabajan en oposición a los cables que tensan y estabilizan toda la estructura. Del mismo modo, los cables y vientos tensan la tela de lona de la carpa de circo (o de camping, es lo mismo) que tira de las rígidas estacas en el suelo y los postes verticales para dar a su forma.

Aún tenemos muy arraigado el modelo newtoniano de la gravedad. Todo se mantiene erguido y en su lugar por acción del peso de los materiales, un bloque sobre otro. La estabilidad, en este modelo, es de tipo compresivo (columnas, vigas, palancas, puntales, etc).

En cambio, en la “tensegridad” las estructuras están diseñadas desde una perspectiva diferente y más dinámica.

En lugar de utilizar la relación “peso-empuje”, las estructuras con “integridad tensional” están ideadas como un ‘‘sistema de tensiones equilibradas en todas las direcciones’’ (omnidireccional).

Además estas estructuras no tienen necesidad de estar apoyadas en algo, ya que al estar pretensadas poseen un equilibrio interno propio, por lo que no dependen de la gravedad para asegurar su propia estabilidad.

La tensión generada por la gravedad en el modelo newtoniano, es reemplazada, en el modelo de “tensegridad”, por tensiones multidireccionales de cada uno de los elementos de la estructura.

Las primeras estructuras construidas con barras y cables siguiendo el principio de tensegridad fueron creadas a fines de los 40´ por un alumno de Fuller, el escultor Kenneth Snelson.

Una estructura constituye un sistema de tensegridad si se encuentra en un estado de autoequilibrio estable.

El equilibrio entre estos dos tipos de fuerza dota de forma y rigidez a la estructura. Esta clase de construcciones combina amplias posibilidades de diseño junto a gran resistencia, así como ligereza y economía de materiales.

“Tensión continua, compresión discontinua “

¿Es posible que en los tejidos vivos ocurra lo mismo?

A mediados de los años 70, se planteó la hipótesis que relaciona las estructuras de tensegridad con el comportamiento mecánico de las células. Para comprobarlo, el biólogo D. Ingber, modeló una estructura compuesta por seis barras unidas con hilos elásticos. Al colocarla sobre una superficie rígida tendía a adoptar una forma aplanada, mientras que cuando se la liberaba mostraba una conformación más redondeada (se retraía).

Las células presentan el mismo comportamiento.

Desde un punto de vista estructural, la célula puede considerarse un sistema de tensegridad.

Como veremos más adelante, la red 3D del citoesqueleto celular cumple el mismo papel que las barras y los cables en las estructuras de tensegridad, es decir, equilibra las fuerzas que darán forma y rigidez a la célula.

El balance entre estas propiedades le confiere a la célula una integridad tensional que es fundamental. La célula depende de su estructura para poder llevar a cabo sus funciones.

Las estructuras con integridad tensional son muy livianas con respecto a sus posibilidades mecánicas. Además, una señal mecánica transmitida al sistema en un punto, provoca una redistribución de las fuerzas en todas las direcciones. Esto explica la capacidad para absorber choques y la tendencia al equilibrio que tienen estas estructuras.

El modelo de tensegridad permite predecir precisamente el comportamiento de los tejidos vivos.

En líneas generales se puede decir que la célula crece y se divide mientras está estirada, si permanece retraída inicia un programa de muerte (apóptosis), y madura y se diferencia con un grado intermedio de extensión. Este es un ejemplo de la relación entre la estructura y la función a nivel celular

La tensegridad materializada por el cableado entre todas las estructuras internas permite comprender cómo la célula responde inmediatamente a los estímulos mecánicos externos, ya sean fisiológicos (regeneración, cicatrización), patológicos (traumatismos) o terapéuticos (digitopresiones y estiramientos).

Las fuerzas mecánicas y la bioquímica celular están íntimamente ligadas.

La distorsión física de la célula y del citoesqueleto puede alterar la bioquímica celular e incluso la expresión de los genes (crecimiento, diferenciación celular, etc).

Esta es el enlace de una animación interesante:

http://www.childrenshospital.org/research/cell_tensegrity/index.html

Investigadores del Hospital de niños de Boston y de la Universidad de Harvard han llegado a comprobar el mecanismo de tensegridad celular.

Demostraron que los microfilamentos contráctiles, que forman parte del esqueleto molecular de la célula: “el citoesqueleto”, actúan como bandas elásticas estiradas que comprimen las fibras huecas llamadas microtúbulos y tiran de las clavijas moleculares que anclan las células a un medio de sostén externo - la matriz extracelular.

Para conocer mejor de que se trata, aquí va una breve descripción:

El citoesqueleto es una estructura dinámica ubicada en el interior de la célua que le permite a esta moverse (usando estructuras como los cilios y los flagelos), mantener la forma y desempeña un importante papel tanto en el transporte intracelular de moléculas como en la división celular.

Este esqueleto celular es un entramado tridimensional de proteínas que provee el soporte interno para las células, anclando las estructuras internas de la misma. En las células eucariotas, consta de microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos.

Estos andamios moleculares también funcionan como pistas para el movimiento de los corpúsculos u organelas dentro de la célula, y orientar a muchas de las enzimas y los sustratos que participan en las reacciones bioquímicas que regulan funciones celulares esenciales.

Según el punto de vista convencional, la célula se asemeja a un globo inflado llena de una sustancia gelatinosa, sin embargo, esta visión es de poca utilidad cuando se trata de entender cómo las fuerzas mecánicas regulan el comportamiento celular, ya que no se tiene en cuenta la microestructura interna de la célula..

El citoesqueleto es dinámico pero no pierde la capacidad de mantenimiento de la forma, la funcionalidad y la estructura de la red tridimensional que lo conforma.

Su carácter reticulado y tridimensional así como la capacidad de auto-mantenimiento, confieren a los sistemas de tensegridad, como el citoesqueleto, un comportamiento mecánico casi neumático.

Las células reciben todo el tiempo información de las fuerzas que ocurren a su alrededor, aún cuando se encuentran en movimiento (migrando). Tales fuerzas no sólo producen deformaciones en la célula sino que también inducen a que se presenten fenómenos como señalización por adhesión (envío y recepción de señales) y reorganización del citoesqueleto.

Podemos imaginar al citoesqueleto como una estructura intracelular en forma de red, que continuamente está sujeta a estímulos mecánicos relacionados con la tensión y la compresión, los cuales son medibles y explicables mediante las leyes de la física relacionadas con la biomecánica.

Esta forma de "biología mecánica", es tan importante para la función del cuerpo como las hormonas y otras interacciones químicas. Por ej: en caso de una lesión o muerte celular, el citoesqueleto y los núcleos de las células vecinas, al encontrar más espacio, distorsionan su forma, lo que estímula genes y reacciones químicas provocando una multiplicación y un crecimiento celular hasta que las células se ponen apretadas y tensas, reciben la señal mecánica que se traduce al lenguaje químico y entonces dejan de crecer.

Así es como se regeneran los tejidos.

continúa


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