Astrofísica

Astrofísica, rama de la astronomía que busca la comprensión del nacimiento, evolución y destino final de los objetos y sistemas celestes, basándose en las leyes físicas que los rigen. En cada objeto o sistema estudiado los astrofísicos observan las radiaciones electromagnéticas emitidas en todo el espectro y las variaciones de estas emisiones a través del tiempo (véase Espectroscopia). Esta información se interpreta después con ayuda de modelos teóricos. Se trata de explicar con cada uno de estos modelos los mecanismos por los que se genera la radiación dentro o cerca de cada objeto, y cómo esa radiación es emitida después por el objeto. Las medidas de radiación se utilizan para valorar la distribución y condiciones de la energía de los átomos, así como los distintos tipos de átomos que componen el objeto. La temperatura y presión del objeto se pueden calcular, a continuación, utilizando las leyes de la termodinámica.

Los modelos de los objetos celestes en equilibro se basan en el equilibrio entre las fuerzas ejercidas sobre los objetos y dentro de ellos. Los cataclismos se interpretan como modelos en los que dichas fuerzas están desequilibradas.

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avances más importantes conseguidos en el siglo XX

Entre los avances más importantes conseguidos en el siglo XX se encuentran el desarrollo y descubrimiento de nuevas hormonas, el reconocimiento del papel de las vitaminas, el descubrimiento del grupo sanguíneo, el desarrollo del electrocardiógrafo y del electroencefalógrafo para registrar la actividad del corazón y del cerebro, el descubrimiento de la causa y del modo de curar la anemia perniciosa por los médicos estadounidenses George R. Minot, William P. Murphy y George H. Whipple, y el mejor conocimiento del metabolismo, del papel de las enzimas y del sistema inmunológico.
   

La primera parte del siglo XX también fue testigo de grandes avances en el conocimiento del mecanismo de los reflejos, noción que fue elaborada por primera vez por el filósofo francés René Descartes como concepto filosófico, para distinguir los reflejos involuntarios de los animales de las reacciones más racionales de los seres humanos. Este concepto fue perfeccionado por el trabajo de zoólogos alemanes, que lo describieron en términos físicos y dividieron el comportamiento en sus componentes reflejos.

 El neurofisiólogo británico Charles Sherrington amplió los conocimientos sobre este tema al demostrar que los reflejos permiten al sistema nervioso funcionar como una unidad. El concepto de respuesta condicionada fue descrito por primera vez en el siglo XVIII por el fisiólogo escocés Robert Whytt, pionero en el estudio de la acción refleja, y culminó con los trabajos posteriores del fisiólogo ruso Iván Petróvich Pávlov y del neuropatólogo ruso Vladímir Bekhterev.

 Aunque no tuvo validez el intento de Pávlov de extender los principios del condicionamiento, el método por el cual pueden provocarse respuestas con más frecuencia o de forma más predecible mediante el refuerzo, a procesos mentales más complejos, su trabajo tuvo un gran impacto sobre la psicología y el aprendizaje. Fue una de las influencias principales para la aparición del behaviorismo, fundado por el psicólogo estadounidense John Broadus Watson. El trabajo del psicólogo estadounidense Burrhus Frederic Skinner sobre la instrucción programada, base de las denominadas máquinas de enseñanza, también se basó en la teoría del condicionamiento y del refuerzo.

El siglo XX también fue testigo de otros avances fundamentales en neurología. El fisiólogo británico Edgar Douglas Adrian midió y registró los potenciales eléctricos de las fibras nerviosas motoras y sensitivas. Sherrington investigó la acción integradora del sistema nervioso. Su trabajo fue seguido por el de los fisiólogos estadounidenses Joseph Erlanger y Herbert Spencer Gasser, que demostraron las diferencias funcionales entre las fibras nerviosas, y utilizaron un osciloscopio para registrar la variación de los impulsos eléctricos que tiene lugar en estas fibras.

 Posteriores investigaciones realizadas por el bioquímico estadounidense Julius Axelrod, por el fisiólogo sueco Ulf von Euler y por el médico británico Bernard Katz, demostraron la función de sustancias químicas determinadas en la transmisión de los impulsos nerviosos. Estas investigaciones fueron vitales para procesos tan básicos como el control de la presión sanguínea y la movilización de la fuerza para enfrentarse a una situación de urgencia.

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La fisiología en los siglos XVIII y XIX

La fisiología moderna es deudora del trabajo realizado durante el siglo XVIII por el médico holandés Hermann Boerhaave y por su pupilo, el científico suizo Albrecht von Haller.

Sus críticas a los iatroquímicos (que creían que la fisiología sólo incluía reacciones químicas) y a los iatrofísicos (que creían que sólo incluía reacciones físicas), pusieron las bases del estudio integrado de la fisiología.

Haller fue el primer científico que estableció que toda la materia viva posee irritabilidad.

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, el médico italiano Luigi Galvani demostró que era posible conseguir que los músculos de la pata de una rana se contrajeran estimulándolos con una corriente eléctrica, y el fisiólogo italiano Lazzaro Spallanzani investigó la actividad del jugo gástrico durante la digestión. Spallanzani también estudió la fecundación y la inseminación artificial en animales inferiores.

La figura principal de la fisiología animal del siglo XIX fue el fisiólogo francés Claude Bernard, que investigó el metabolismo de los hidratos de carbono en los seres humanos; también estudió el sistema nervioso autónomo y describió muchas de sus funciones. Su mayor contribución fue el establecimiento del principio de que los organismos vivos nunca están en reposo, sino que experimentan continuos cambios dinámicos cuyo objeto es mantener el equilibrio interno.

 La base de la salud, según Bernard, es el éxito del organismo en el mantenimiento de este equilibrio. Los principios de Bernard fueron ampliados durante la primera mitad del siglo XX por el fisiólogo estadounidense Walter Bradford Cannon, que al estado dinámico le asignó el nombre de homeostasis, y demostró que el cuerpo se podía adaptar para enfrentarse a peligros externos importantes. Cannon demostró procesos que tienen lugar en el cuerpo humano como la regulación interna de la temperatura corporal, la alcalinidad de la sangre y la preparación del cuerpo para la defensa mediante la secreción de adrenalina en las glándulas adrenales.

Durante el siglo XIX se dedicó mucha atención al estudio de la fisiología del sistema nervioso. El anatomista inglés Charles Bell describió las funciones de los nervios motores y sensitivos; el fisiólogo francés François Magendie describió las funciones de los nervios vertebrales e investigó los mecanismos de deglución y regurgitación; el fisiólogo francés Pierre Flourens investigó las funciones del cerebelo y fue pionero en la investigación fisiológica de la psicología animal, y el fisiólogo alemán Johannes Peter Müller demostró que las percepciones sólo estaban determinadas por el órgano sensorial que recibía el impulso sensorial. El fisiólogo alemán Ernst Heinrich Weber descubrió que el corazón humano era estimulado por dos tipos de nervios: los que activan los latidos del corazón y los que los inhiben.

 Fue uno de los primeros científicos en percibir que el sistema nervioso autónomo está constituido por dos sistemas nerviosos diferentes. Weber también investigó la mecánica de la percepción.

Durante el último cuarto del siglo XIX, el fisiólogo y psicólogo alemán Wilhelm Wundt fundó el primer laboratorio dedicado a la investigación de las bases fisiológicas de la psicología.

Durante los últimos años del siglo XIX y los primeros años del siglo XX, el ímpetu de la nueva ciencia denominada bacteriología condujo al estudio de la inmunidad. Las figuras más importantes en este campo fueron el naturalista ruso Iliá Mechnikov, que desarrolló la teoría de la fagocitosis e investigó sobre la destrucción de materiales extraños en la sangre, y el bacteriólogo y químico alemán Paul Ehrlich padre de una teoría sobre la formación de los anticuerpos.

Aproximadamente en la misma época, la fisiología de las glándulas endocrinas fue investigada por el fisiólogo británico Edward Albert Sharpey-Schafer, quien demostró que un extracto de las glándulas adrenales, después denominado adrenalina, elevaba la presión sanguínea cuando era inyectado. Varios años después, el fisiólogo británico William Maddock Bayliss y Ernest Henry Starling descubrieron que si se inyectaba un extracto intestinal, denominado secretina, se estimulaba el flujo de jugo pancreático.

Propusieron el término hormonas para denominar las secreciones que podían actuar sobre otros órganos cuando se encontraban en el torrente sanguíneo. Los estudios posteriores sobre las hormonas proporcionaron información importante sobre la mecánica del crecimiento y la reproducción.

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Comienzos de la fisiología moderna

La fisiología animal moderna comenzó cuando el médico inglés William Harvey descubrió la circulación de la sangre en 1616. Poco después, el químico flamenco Jan Baptista van Helmont desarrolló el concepto de gas y sugirió la utilización de álcalis para el tratamiento de las alteraciones digestivas.

El biofísico italiano Giovanni Alfonso Borelli publicó estudios sobre la motricidad animal en los que sugería que la base de la contracción muscular estribaba en las fibras musculares; el microscopista holandés Antoni van Leeuwenhoek realizó las primeras descripciones de eritrocitos y espermatozoides, y el histólogo italiano Marcello Malpighi demostró la existencia de los capilares y estudió la fisiología del riñón, el hígado y el bazo.

 El estudio de las glándulas se inició durante la segunda mitad de este siglo: el médico inglés Thomas Warton demostró la existencia de la secreción salivar, y el anatomista danés Nicolaus Steno la existencia de las glándulas lacrimales y salivares.

 El médico holandés Regnier de Graaf profundizó en los estudios sobre las glándulas mediante su descubrimiento de los folículos del ovario; también realizó estudios sobre los jugos pancreáticos y la bilis. El médico inglés Richard Lower fue el primero en transfundir sangre de un animal a otro, y el médico francés Jean Baptiste Denis administró una transfusión a un ser humano con éxito por primera vez.

En el siglo XVII se consiguieron progresos en el estudio de la respiración. El fisiólogo inglés John Mayow demostró que el aire no era una sustancia única, sino una mezcla de varias sustancias, de las cuales no todas eran necesarias para la vida. En el siglo XVIII, el químico británico Joseph Priestley demostró que la proporción de oxígeno esencial para la vida animal es idéntica a la proporción de oxígeno necesaria para permitir la combustión. Antoine Laurent de Lavoisier, un químico francés, aisló y dio nombre al oxígeno poco después, y demostró que el dióxido de carbono era un producto de la respiración.

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Fisiología

Fisiología, estudio de los procesos físicos y químicos que tienen lugar en los organismos vivos durante la realización de sus funciones vitales. Estudia actividades tan básicas como la reproducción, el crecimiento, el metabolismo, la respiración, la excitación y la contracción, en cuanto que se llevan a cabo dentro de las estructuras de las células, los tejidos, los órganos y los sistemas orgánicos del cuerpo.

La fisiología está muy relacionada con la anatomía e históricamente era considerada una parte de la medicina. El gran hincapié que la fisiología hizo en la investigación de los mecanismos biológicos con la ayuda de la física y la química, convirtió a la fisiología en una disciplina independiente en el siglo XIX; sin embargo, hoy se tiende a la fragmentación y a la unión con la gran variedad de ramas especializadas que existen en las ciencias de la vida. Se reconocen tres grandes divisiones: fisiología general, relacionada con todos los procesos básicos que son comunes a todas las formas vivas; la fisiología y la anatomía funcional de los seres humanos y de otros animales, incluyendo la patología y los estudios comparativos, y la fisiología vegetal, que incluye la fotosíntesis y otros procesos de la vida de las plantas.

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Histoquímica y citoquímica

Las técnicas de histoquímica y citoquímica guardan una estrecha relación y se ocupan de investigar la actividad química que tiene lugar en las células y los tejidos. Por ejemplo, la presencia de ciertos colores dentro de las células indica el tipo de reacción química que ha tenido lugar.

 Además, la densidad de la reacción colorimétrica se puede utilizar como un indicador de la intensidad de la reacción. Los métodos histoquímicos han sido muy útiles en el estudio de enzimas, sustancias catalizadoras que controlan y dirigen muchas de las actividades celulares. La mayor parte de los conocimientos sobre las enzimas se obtuvo a partir de estudios llevados a cabo tras retirar las enzimas de sus células de origen, pero hasta que la histoquímica no se introdujo, el anatomista no fue capaz de observar al microscopio las células que transportaban enzimas específicas o de calcular cuánta era su actividad en las distintas células bajo diversas condiciones.

Una técnica histoquímica importante consiste en el uso de isótopos radiactivos de varios elementos químicos presentes en las células y los tejidos (véase Isótopo; Radioinmunoensayo; Isótopo trazador). Los elementos marcados con isótopos radiactivos se administran a los organismos vivos, hecho que permite al investigador seguir el rastro de las vías que toman estas sustancias a través de los diversos tejidos.

Es posible calcular el grado de concentración y dilución de los elementos dentro de componentes celulares específicos si se determina la radiación emitida a partir de estos tejidos. Este procedimiento hace posible el estudio de la distribución y concentración de isótopos en cortes de tejidos de la misma forma en que se suelen examinar habitualmente al microscopio. Este estudio denominado autorradiografía se efectúa colocando las muestras de tejido radiactivo en contacto con películas y emulsiones fotográficas sensibles a la radiación.

Otra técnica de localización de compuestos químicos en cortes finos es la microincineración: el calentamiento de secciones microscópicas hasta el punto en que los materiales orgánicos presentes son destruidos y sólo queda el esqueleto mineral. Entonces es posible identificar los minerales restantes por procedimientos químicos y microscópicos especiales. Por lo tanto, la microincineración proporciona otra forma de localizar elementos químicos específicos dentro de células o componentes tisulares determinados.

Otro descubrimiento en el campo de la histoquímica es la microespectrofotometría, un método exacto de análisis de color. En esta técnica se analizan los colores de un corte fino de tejido con un espectrofotómetro, un instrumento que mide la intensidad de cada color en función de su longitud de onda. La microespectrofotometría es útil para estimar las características de células y tejidos no teñidos midiendo su absorción de longitudes de onda específicas. Otra aplicación es realizar valoraciones exactas respecto a la naturaleza e intensidad del color de las reacciones. A su vez estas valoraciones proporcionan información precisa respecto a la localización e intensidad de las reacciones químicas en los componentes de los organismos vivos.

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Anatomía microscópica

La invención en el siglo XVII del microscopio compuesto dio lugar al desarrollo de la anatomía microscópica, que se dividió en histología, el estudio de los tejidos, y citología, el estudio de las células. Durante el siglo XVII el estudio de la estructura microscópica de los animales y de las plantas prosperó bajo la dirección del anatomista italiano Marcello Malpighi. Muchos anatomistas importantes de la época eran reacios a aceptar la anatomía microscópica como parte de su ciencia. Por el contrario, se incluye en el estudio de la anatomía moderna con el fin de establecer relaciones entre la estructura de los organismos observada a simple vista y la revelada por métodos más detallados de observación.

La anatomía patológica fue considerada una rama de la ciencia por el médico italiano Giambattista Morgagni y a finales del siglo XVIII la anatomía comparada fue sistematizada por el naturalista francés Georges Cuvier.

La anatomía microscópica hizo grandes progresos en el siglo XIX. Durante la segunda mitad del siglo se descubrieron muchos datos básicos relativos a la estructura fina de los organismos, debido en gran parte al desarrollo de microscopios ópticos mejores y métodos nuevos que facilitaban el estudio de las células y los tejidos con este instrumento. La técnica de la microtomía, el corte de los tejidos en láminas finas, casi transparentes, se perfeccionó. La microtomía obtuvo un valor incomparable cuando se comenzó a aplicar a los cortes de tejido varios tipos de tintes y colorantes que facilitaban la visión de las diferentes partes de la célula.

El conocimiento de la anatomía microscópica se amplió mucho durante el siglo XX gracias a microscopios con mayor poder de resolución y aumento que los instrumentos convencionales. Esto permitió descubrir detalles que antes no estaban claros o que no eran visibles. También influyó de forma positiva el progreso de las técnicas de laboratorio que facilitaban la observación. El microscopio de luz ultravioleta ofrece una mejor visión al observador debido a que las longitudes de onda de sus rayos son más cortas que las de la luz visible (el poder de resolución es inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz utilizada). También se emplea para aumentar detalles particulares a través de la absorción selectiva de ciertas longitudes de onda de la banda ultravioleta.

El microscopio electrónico proporciona un aumento y resolución aún mayor. Estas herramientas han abierto campos de investigación anatómica antes inexplorados. Otros microscopios modernos han hecho posible la visualización de materiales vivos sin teñir invisibles al microscopio convencional. El microscopio de contraste de fases y el de interferencias constituyen dos ejemplos. Estos instrumentos utilizan haces de luz normal y pueden diferenciar las partes de una célula viva no teñida.

El descubrimiento de los rayos X por el físico alemán Wilhelm Roentgen hizo posible que los anatomistas estudiaran los tejidos y los sistemas de los órganos en los animales vivos. La primera radiografía, tomada en 1896, fue de una mano humana. Hoy las técnicas permiten obtener imágenes tridimensionales de los tejidos de una víscera después de la ingestión de unos líquidos opacos especiales, y de secciones del cuerpo mediante haces de rayos X dirigidos por ordenador o computadora (véase Radiología). Esta última recibe el nombre de tomografía axial computerizada o TAC. Otras técnicas no invasivas que se han desarrollado incluyen el uso de ultrasonidos para obtener imágenes de los tejidos blandos y la aplicación de la resonancia magnética nuclear con fines diagnósticos y de investigación.

En el siglo XX se ha desarrollado otro procedimiento útil para la investigación anatómica, el cultivo de tejidos, que implica el cultivo de células y tejidos de organismos complejos fuera del cuerpo. La técnica permite aislar las unidades vivas de modo que el investigador pueda observar de forma directa los procesos de crecimiento, multiplicación y diferenciación de las células. Por tanto, los cultivos tisulares han añadido una nueva dimensión a la ciencia de la anatomía.

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