La mosca de la fruta fue el primer organismo utilizado como modelo para experimentos científicos. Desde entonces, muchos otros animales, plantas y microbios se han incluido en la colección de organismos modelo utilizados por los científicos.
El diseño de experimentos requiere consideración cuidadosa y precisión. En campos como las matemáticas, la física y la química, el diseño experimental solo involucra la materia que se está estudiando. Esta materia no experimenta dolor, objeción al experimento o variación significativa entre las muestras (excluyendo el complejo mundo de la física cuántica, que aún no se comprende completamente).
Sin embargo, la biología enfrenta un desafío importante cuando se trata de experimentación.
La materia de la biología es la vida misma. Si bien la vida existe en todas partes, es notoriamente difícil experimentar con ella. Las diferentes formas de vida parecen ser notablemente diversas.
En tierra, hay plantas con hojas, insectos con seis patas, aves con plumas, serpientes que se deslizan y mamíferos que caminan. En el mar, la vida adquiere formas aún más peculiares. El mundo microscópico es tan extraño como simple. Durante años, los científicos han luchado por estudiar esta vida que parece desafiar las reglas universales.
El uso de organismos modelo no siempre fue una práctica común entre los científicos. En el pasado, se utilizaba cualquier animal fácilmente disponible para la experimentación. (Crédito de la foto: unoL / Shutterstock)
Para comprender mejor esta diversidad, los científicos comenzaron a seleccionar organismos representativos para estudiar. Eligieron un organismo en el que se pudiera experimentar y asumieron que los hallazgos se aplicarían a otras formas de vida similares. Aunque esto puede parecer sencillo, a la ciencia le llevó un tiempo comprender cómo estudiar la vida abundante en nuestro planeta.
Los primeros organismos modelo
Al igual que muchos desarrollos históricos, el uso de organismos modelo se remonta a la antigua Grecia. Aristóteles y Erasístrato realizaron disecciones en varios animales, descubriendo diferencias anatómicas entre las especies. No había criterios específicos para seleccionar animales o aspectos para estudiar.
Los científicos, en su mayoría hombres en aquellos tiempos, eran como niños curiosos, explorando juguetes sin ningún enfoque en particular.
Médicos como Hipócrates y Galeno examinaron cadáveres y estudiaron a humanos con diferentes enfermedades para obtener conocimientos sobre la condición humana. Documentaron sus observaciones, sentando las bases de la medicina moderna.
Sin embargo, estudiar el cuerpo humano no era fácil. Éticamente, realizar disecciones en cadáveres estaba mal visto (lo que llevó a los científicos a comprar cadáveres ilegalmente a los sepultureros) y realizar disecciones en vivo se consideraba blasfemia. Para estudiar la forma humana, muchos tuvieron que depender de animales domésticos que estaban fácilmente disponibles.
Afortunadamente, se produjo un cambio gradual en la investigación biológica. En los siglos XVIII y XIX, los científicos comenzaron a realizar experimentos en organismos específicos. Antoine Lavoisier utilizó cobayas para demostrar que la respiración implicaba la combustión de alimentos. Louis Pasteur utilizó ovejas (infectadas con ántrax) como su modelo animal preferido para desarrollar la teoría germinal de la enfermedad.
A finales del siglo XIX, después de que se redescubrieran las investigaciones innovadoras de Gregor Mendel sobre la herencia en los guisantes, los científicos comenzaron a buscar activamente organismos modelo. Mendel había elegido cuidadosamente en qué planta realizar sus experimentos y explicó detalladamente su razonamiento. El impacto del trabajo de Mendel y el creciente interés en el estudio de los organismos microscópicos llevó involuntariamente a los científicos a considerar la importancia de las formas de vida que estaban estudiando. Un ejemplo notable es Thomas Morgan Hunt, cuya investigación sobre la mosca de la fruta común le valió un Premio Nobel y elevó el estatus de la mosca al de una celebridad.
Una compilación de organismos modelo comunes empleados en el campo de la biología
Existía una amplia gama de animales utilizados para la investigación científica. Un organismo ideal era fácilmente accesible y habitable en un laboratorio, relativamente fácil de manipular y económico (si era posible). No hubo un esfuerzo concertado para estandarizar la investigación en un solo organismo como representación del reino animal en general (y, por lo tanto, de todo el mundo vivo).
La elección de un organismo específico para utilizar a menudo dependía de la pregunta que se necesitaba responder. Algunos animales se empleaban con más frecuencia que otros, como roedores, perros y pollos.
La mosca de la fruta – Drosophila melanogaster
Esta situación cambió cuando Thomas Hunt Morgan comenzó su investigación con la mosca de la fruta común alrededor de 1906.
Morgan estaba llevando a cabo su trabajo en la Universidad de Columbia con el objetivo de investigar el campo emergente de la herencia mendeliana y la teoría cromosómica de la herencia. Intentó trabajar con ratones y observar sus colores de pelaje, pero no quedó satisfecho con los resultados obtenidos. De alguna manera (algunas fuentes afirman que fue una recomendación de un colega), Morgan se encontró con la mosca de la fruta. Comenzó a criar cuidadosa y precisamente estas moscas. Dedicó dos años al proyecto antes de que aparecieran sus mutantes de ojos blancos.
Estos mutantes no solo llevaron a Morgan a la fama, sino que también elevaron el perfil de su especie. Drosophila melanogaster pronto se convirtió en una elección popular para los investigadores que realizaban experimentos en el campo de la genética. Era pequeña en tamaño, fácil de criar y mantener, y muchas de sus mutaciones podían observarse sin necesidad de equipos sofisticados.
Drosophila siguió contribuyendo a la investigación ganadora del Premio Nobel de numerosos científicos, no solo en genética, sino también en neurociencia y biología del desarrollo. Los mutantes de Drosophila eran ubicuos, y parecía que los científicos no podían tener suficiente de esta mosca.
Drosophila melanogaster se considera el primer organismo modelo verdadero. (Crédito de la foto: Sanjay Acharya/Wikimedia Commons)
Drosophila es el más destacado entre el grupo de organismos modelo. Tras el éxito de Drosophila, los científicos comenzaron a hacer un esfuerzo más concertado para descubrir y utilizar otros organismos modelo. Esto aceleró el progreso de la investigación sobre los principios fundamentales de la biología más que en cualquier otro período de investigación científica.
Caenorhabditis elegans o C. elegans
Un nematodo diminuto que mide 1 mm y consta de 959 células no sexuales (somáticas), llamado Caenorhabditis elegans, contribuyó a la comprensión de los científicos sobre la muerte celular. Hoy en día, este pequeño animal de reproducción rápida y fácil mantenimiento ayuda a los investigadores a estudiar el sistema nervioso, el envejecimiento y la mortalidad.
Rodentes
Las famosas ratas de laboratorio que corretean por las jaulas se han utilizado en una variedad de investigaciones. Los ratones y los roedores en general han proporcionado información valiosa sobre comportamientos como el miedo y la atracción.
Los ratones también comparten muchas similitudes genéticas con los humanos, lo que los convierte en modelos animales adecuados para probar medicamentos y vacunas antes de los ensayos clínicos en humanos.
Escherichia coli
En una escala más pequeña, la levadura y la bacteria Escherichia coli (también conocida como E.coli) han proporcionado respuestas a nivel celular y molecular.
Arabidopsis thaliana y maíz
La planta Arabidopsis thaliana se ha convertido en el organismo insignia para la investigación de la genética molecular en las plantas, mientras que el maíz fue famosamente utilizado por Barbara McClintock en su descubrimiento de los transposones.
Mención especial
Se están examinando embriones de pollo con corazones que laten sobre la yema amarilla para investigar cómo una sola célula puede transformarse en un pollo vivo y respirante. Otro organismo que ha ganado popularidad en el estudio del sistema nervioso y el comportamiento animal es el pez cebra.
Aunque las líneas celulares individuales no pueden explicar totalmente algunas de las ocurrencias inusuales y peculiares en la naturaleza, los cefalópodos (como los calamares, pulpos y nautilos) poseen un sistema nervioso complejo y fascinante que merece una exploración más profunda para comprender mejor a las neuronas. El calamar bobtail hawaiano forma una relación simbiótica con bacterias luminiscentes y tiene un cerebro relativamente grande (considerando su tamaño corporal).
La investigación sobre las habilidades regenerativas de las lombrices planarias, las salamandras y los ajolotes todavía está en sus etapas iniciales. La disminución de los costos del secuenciamiento del genoma y la disponibilidad de tecnologías como CRISPR permiten utilizar organismos más no convencionales para estudiar de manera más profunda e iluminadora.
Expertos de todo el mundo han estudiado y descrito extensamente cada uno de estos organismos. Sus genomas han sido decodificados y sus ciclos de vida documentados. Los científicos ahora tienen acceso a todas las técnicas y conocimientos, lo que les brinda una libertad sin precedentes para ser innovadores en su investigación.
Los erizos de mar se han utilizado en el estudio de la embriología. (Crédito de la foto: A. Mertens/Shutterstock)
Resumen:
Aunque algunos científicos siguen confiando en animales, plantas y microbios para su investigación, hay un énfasis creciente en el uso de células iPS y cultivos de tejidos aislados. Al estudiar líneas celulares individuales, los investigadores pueden evitar las preocupaciones éticas asociadas con el uso de organismos modelo. Estas líneas celulares y células madre pueden ser expuestas a diferentes entornos y manipuladas genéticamente para observar cambios en sus respuestas moleculares y genéticas.
No obstante, todavía queda mucho por descubrir sobre las complejidades de la vida.