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La importancia de la estabilidad

Una cena muy salada

Quizá recuerde aquella cena en la que uno de los platos estaba muy salado. Quizá comieron bacalao. No se les ha olvidado porque se pasaron toda la noche bebiendo agua. ¿Qué les ocurrió?

Nuestro organismo está diseñado por la evolución para que admita en sus líquidos internos solo una pequeña cantidad de sal, ya que los niveles de sal se mantienen constantes dentro de límites muy estrechos (a esto se le llama homeostasis de la sal). Cuando alteramos esta situación interna sobrecargando de sal nuestro organismo y su concentración en los líquidos internos aumenta por encima de un determinado nivel, se produce una situación de riesgo (peligro homeostático) y el organismo pone en marcha los mecanismos necesarios para solucionar ese grave problema (estrés homeostático).

En este caso en particular, unos receptores captan el exceso de sal que ha inundado nuestros líquidos internos, mandan la información a los centros nerviosos, y el organismo produce unas hormonas que activan el mecanismo de la sed, lo que nos obliga a beber para que entre mucha agua. Además, reducen la fabricación de orina para evitar que se pierda líquido. De esta forma aumenta la cantidad de agua dentro del organismo y se diluye el exceso de sal. Este peligro homeostático se ha solucionado con una mala noche, pero sin mayores consecuencias para nuestra salud.

Pero si somos de esas personas a las que les gustan los alimentos muy salados, de las que casi vacían el salero de mesa sobre cada plato, estaremos sobrecargando de sal de forma continuada nuestros líquidos internos (sobrecarga homeostática crónica). En este caso, nuestro organismo pone en marcha diversos mecanismos hormonales y nerviosos e involucra a varios órganos, en especial al riñón, para intentar corregir ese riesgo permanente (estrés homeostático crónico). A la larga, si reiteramos este hábito que castiga constantemente a nuestro organismo, la actuación continuada de los mediadores (hormonas, neurotransmisores) de la respuesta del estrés homeostático crónico puede ocasionar hipertensión. A esto se añade que, si no corregimos nuestra conducta y continúa la agresión homeostática, esta situación puede acarrear la muerte por problemas cardiovasculares.

¿Se imaginaba usted que cada vez que come algo muy salado desencadena en su organismo una respuesta de estrés? A través de mecanismos similares al que acabamos de relatar (por ejemplo, un atracón de dulces, un exceso de grasas y de alimentos ricos en colesterol, el abuso de alcohol y de otros tóxicos, etc.) se desarrollan muchas de las enfermedades que hoy nos afligen; son las consecuencias de esta forma de estrés tan frecuente en nuestra sociedad opulenta: el estrés homeostático. Vamos a intentar aclarar todos estos conceptos, pero para ello me van a permitir que demos un gran paso atrás de varios miles de millones de años.

La vida es orden

La vida es un fenómeno que se rige por unos mecanismos opuestos a los que la evolución y el destino del universo determinan. El universo, desde que ocurrió el gran estallido, el Big Bang, está evolucionando hacia el mayor grado de desorden, desorganización y disipación de la energía (los términos físicos son el aumento de la entropía o la entropía positiva). El universo no se planifica, no hay una información almacenada y capaz de transmitirse; solo impera el azar de los movimientos y las reacciones determinadas por las fuerzas fundamentales.

Sin embargo, la vida es todo lo contrario. La vida es orden, es decir, está constituida por estructuras ordenadas y complejas, y es organización, ya que esas estructuras cumplen funciones específicas y coordinadas. La vida también es información, que está contenida en los genes, y asimismo es capacidad de transmitirla mediante las diversas formas de reproducción. El orden, la organización y la información precisan que haya flujos de energía. Todo ser vivo capta energía del entorno (alimentación, respiración), la procesa mediante complejos sistemas bioquímicos (metabolismo), la utiliza (vida, reproducción) y elimina la energía sobrante en forma de calor y de deshechos. Esta energía liberada se suma a la disipación global de la energía del universo.

Por eso las funciones fundamentales de la vida son la nutrición, la reproducción y, la más importante de todas, la defensa frente a aquellas amenazas que pueden poner en peligro el orden del individuo, la vida misma. Nutrición, reproducción y defensa son los atributos esenciales de lo que llamamos vida.

El importante asunto de los gradientes

Imagínense que pretenden dar un paseo en bicicleta y se encuentran las ruedas desinfladas. Una rueda de bicicleta no es más que una goma que separa un espacio lleno de aire dentro de la rueda del resto del aire de la atmósfera terrestre. Tener las ruedas desinfladas significa que la presión del aire en su interior está equilibrada (es la misma) que en el exterior. Entonces, cogemos una bomba de inflar y con esfuerzo y gastando un montón de energía (nos cansamos) vamos introduciendo aire hasta que aumentamos la presión dentro de la rueda, muy por encima de la presión del aire en la atmósfera. Hemos suprimido el equilibrio que había antes y en su lugar se ha formado un gradiente (diferencia) de presión entre el interior de la rueda y el exterior. Hemos originado una situación más rica en energía (orden) que la que había con la rueda desinflada (caos).

La ventaja de los gradientes es que no solo crean orden, sino que también sirven para acumular energía. En nuestro ejemplo, una parte de la energía que hemos gastado en meter aire dentro de la rueda se almacena en forma de gradiente de presión del aire. La prueba es que si abrimos de repente la válvula, el aire sale con fuerza y la energía que libera es capaz de producir trabajo, por ejemplo mover un molinillo de papel que pongamos delante.

Las células primitivas resolvieron el problema de acumular entropía negativa, es decir, la energía que necesitaban para crear orden e información, estableciendo gradientes a través de la membrana que separaba el interior celular de todo el entorno exterior. Todas las células que hoy existen, tanto de vida independiente como las que forman parte de los seres pluricelulares, como nosotros, almacenan la energía y generan el orden mediante la creación de gradientes. La desaparición de estos gradientes es la muerte (la rueda muere cuando se desinfla).

Por ejemplo, todas las células tienen una mayor concentración de potasio en su interior con respecto al exterior (145 frente a 4,5 mEq/L en humanos) y una bajísima concentración de sodio en su interior con respecto al exterior (15 frente a 145 mEq/L en humanos). Y la importancia de estos gradientes se refleja en que, por ejemplo, los seres humanos gastamos más del 20 por ciento de toda la energía que obtenemos diariamente de los alimentos en mantener ese gradiente de sodio y potasio en nuestras células.

Cuando ingerimos una gran cantidad de sal (cloruro sódico) al comer un alimento muy salado, el exceso de sodio que penetra en nuestro organismo altera este gradiente, lo que en principio no es muy grave, ya que, como hemos visto, se ponen en marcha varios mecanismos para solucionar la alteración. Más grave es cuando, por ejemplo, introducimos en nuestro medio interno una gran cantidad de potasio. Entonces la alteración del gradiente puede ser tan grande que los mecanismos de control homeostáticos sean incapaces de resolver el conflicto y cause la muerte del individuo en cuestión de segundos. En algunos lugares, la pena de muerte se ejecutaba, precisamente, recurriendo a este mecanismo de alteración del gradiente sodio/potasio mediante la inyección intravenosa de una cantidad letal de cloruro de potasio. Vemos, pues, que esto de los gradientes es cosa seria y se comprende que nuestro organismo intente mantenerlos a toda costa con el fin de conservar la salud y la capacidad de reproducción.

Es decir, el orden de un ser vivo (la vida) se manifiesta en la composición asimétrica de los compartimentos de sus células, tejidos y órganos. Estos gradientes y estas asimetrías hay que mantenerlos mediante el empleo de grandes cantidades de energía (entropía negativa) que los seres vivos extraen del entorno (mediante la alimentación o la energía del sol); y además deben hacerlo en las más variadas circunstancias y en las condiciones más difíciles.

Medio interno y medio externo

En el ser humano, como en el resto de los seres vivos, existe una separación entre lo que es medio externo —todo el entorno que nos rodea, desde nuestra piel hasta los confines del universo— y el medio interno— lo que constituye nuestra intimidad, lo que determina qué es lo que somos—. Esta noción de medio interno fue formulada en 1865 por el fisiólogo francés Claude Bernard en su Introducción al estudio de la medicina experimental, donde estableció la constancia en la composición del medio interno como una condición esencial para la vida.

Esos dos mundos, interno y externo, están separados por unas barreras que restringen el intercambio de materia y de energía entre ambos: la piel, por fuera, y las mucosas (bronquial, intestinal), por dentro. Hay que tener en cuenta que todo el aire que llena nuestros bronquios y pulmones es medio externo, ya que está en contacto directo con el aire exterior, y las barreras que protegen nuestro medio interno a ese nivel son la mucosa bronquial y el epitelio alveolar. Todo el tubo intestinal es también medio externo, ya que está en contacto directo y permanente con el exterior a través de la boca y del ano. La barrera que separa el medio externo intestinal de nuestro medio interno es la mucosa intestinal que forma la pared de este largo tubo. Otra porción de medio externo que ocupa una parte del interior de nuestro cuerpo es, por ejemplo, todo el sistema de vías urinarias que lleva la orina desde el riñón hasta el exterior.

Para que todo funcione perfectamente en nuestras células y, por lo tanto, en nuestro organismo como un todo, cada uno de los compartimentos que conforman nuestro medio interno tiene que mantener constante su composición química y sus características físicas; de esta forma se mantienen los gradientes que deben existir entre los diferentes compartimentos que constituyen nuestro cuerpo, para que podamos conservar nuestra salud. Esta es la misión de la homeostasis.

Homeostasis y estrés homeostático

El concepto y el término de homeostasis (del griego homos, que significa «similar», y estasis, que significa «estabilidad») fueron creados por el fisiólogo Walter Cannon en 1928, el mismo que creó el concepto de estrés. Adviertan que ambos conceptos, estrés y homeostasis, nacieron juntos. Cannon creó el término de estrés al describir el conjunto de los procesos fisiológicos coordinados que se encargan de mantener la constancia de la composición del medio interno (homeostasis) en contra de los factores que tienden a desestabilizarlo.

Todo suceso que ocurre en nuestro entorno puede afectar a los parámetros de nuestro medio interno y desencadenar una situación de emergencia (estrés homeostático) para que el organismo pueda solventarla y sobrevivir. Si lo logra, y casi siempre lo hace, el organismo saldrá indemne del embate; pero si el estímulo es excesivo o reiterado en exceso, como cuando se abusa de manera continuada de la sal, el organismo puede sucumbir a la enfermedad o la muerte. Ya veremos que cada día sometemos a nuestro medio interno a sobrecargas que desencadenan respuestas de estrés homeostático (por ejemplo, abusar de sal, dulces, grasas o alcohol).

Organización de la respuesta del estrés homeostático

La homeostasis es una propiedad universal de los sistemas abiertos, es decir, de aquellos que establecen intercambios con un medio externo, ya sea una célula, una persona, una firma industrial o una nación. Y precisamente el mecanismo básico y universal de la homeostasis es un mecanismo de autoajuste que se denomina feedback negativo o retroalimentación.

Los mecanismos de retroalimentación se utilizan en ciencias tan alejadas entre ellas como la ingeniería o las ciencias sociales y también en la biología. En general, la retroalimentación es un proceso cuya señal se mueve dentro de un sistema, y ella misma vuelve al principio de este sistema como en un bucle. Este bucle se llama «bucle de retroalimentación o feedback». Hasta la cisterna de un inodoro funciona gracias a este mecanismo: al vaciarse, se abre la entrada de agua y permanece abierta hasta que el agua alcanza un cierto nivel. Es entonces cuando se activa un mecanismo que cierra la entrada de agua.

Otro ejemplo sencillo de sistema de retroalimentación negativo es el que controla la calefacción de una casa, y lo componen tres elementos fundamentales: un termómetro —que es el receptor que detecta la temperatura del aire—, un termostato —que es el centro de control en el que se ha fijado un cierto valor de temperatura adecuada— y una fuente de producción de calor. Cuando la temperatura excede a la que está programada en el termostato (estímulo o norma alterada), se produce la desconexión del sistema de producción de calor, lo que ocasiona un descenso de la temperatura (respuesta). Si por el contrario la temperatura desciende por debajo del valor fijado en el termostato (estímulo), se activa el sistema productor de calor que aumenta la temperatura (respuesta), lo que aminora el estímulo que desencadenó este nuevo bucle (el frío). Los mecanismos de retroalimentación permiten mantener constante, aunque con pequeñas oscilaciones, la temperatura de la casa en unos límites fijados previamente. De una forma muy parecida funcionan los sistemas de control homeostático de los parámetros del medio interno en el organismo humano. Vamos a ver algunos ejemplos concretos.

La homeostasis de la temperatura corporal

A diferencia de los sistemas artificiales, como el sistema de calefacción que hemos descrito, los sistemas vivos utilizan otros mecanismos para lograr su fin regulador. Es el resultado de la selección natural que, para no fallar, favorece la acumulación de varias soluciones eficaces. Veamos, por ejemplo, cómo se regula la homeostasis de la temperatura en el organismo humano.

La temperatura de nuestro medio interno está fijada en 37 ºC, y este valor debe mantenerse sin apenas variaciones para que nuestros sistemas bioquímicos y fisiológicos, que constituyen la vida, funcionen bien. Un descenso de cuatro grados en la temperatura de nuestro medio interno (hipotermia) o un ascenso de cuatro grados en la temperatura de nuestro medio interno (hipertermia) son alteraciones graves de la homeostasis térmica que pueden ocasionar la muerte.

Imaginemos a un antecesor nuestro hace veinticinco mil años, en plena glaciación. De pronto el sol se oscurece con nubes de tormenta, nieva, hace viento frío y baja varios grados la temperatura ambiental. Los receptores de temperatura que se sitúan en la piel detectan esta bajada (estímulo o norma alterada) y a través de fibras nerviosas mandan impulsos nerviosos al hipotálamo, la zona del cerebro donde está el termostato que fija la temperatura corporal en 37 ºC. Este centro de control detecta el peligro que supone esta situación que puede alterar la homeostasis de la temperatura del medio interno, y de inmediato da las órdenes oportunas para solucionar el problema (estrés homeostático). A través de nervios específicos, hace que se perciba la sensación de frío, lo que obliga a nuestro ancestro a taparse con la gruesa piel de oso que lleva y a buscar un refugio donde poder encender fuego. También se activa la parte del sistema nervioso que se encarga de casi todas las emergencias (el sistema simpático) y empieza a descargar impulsos nerviosos a través de determinados nervios. Unos llegan a los vasos sanguíneos de la piel, que se contraen para evitar que la sangre se enfríe al circular por la superficie corporal (cara de frío, manos y pies helados). Otros nervios simpáticos estimulan la contracción de unos músculos que hay en la base de cada pelo, que al contraerse reduce la superficie de la piel expuesta al frío (piel de gallina) y estimulan la contracción de determinados músculos para que se contraigan violentamente y generen calor (tiritona). Además, estimula el metabolismo del cuerpo para que se aumente la producción de calor, y el ritmo respiratorio se reduce para evitar la pérdida de calor con el aire espirado.

FIGURA. Esquema de funcionamiento de los bucles feedback de control homeostático de la temperatura corporal.

Todas estas respuestas (estrés homeostático) tienden a restaurar la norma alterada y a evitar que ese cambio térmico haga que la temperatura corporal descienda por debajo del nivel que debe regir en el medio interno. Cada vez que en la oficina ponen el aire acondicionado excesivamente frío, nuestro cuerpo sufre un estrés térmico que, si se reitera con mucha frecuencia, nos puede ocasionar problemas diversos, desde un simple dolor muscular por contractura, hasta un resfriado por disminución de las defensas.

Por el contrario, si nuestro ancestro, en otras circunstancias climatológicas, se ve sometido a un ambiente muy caluroso, los receptores de temperatura de la piel informan de esta circunstancia al hipotálamo mediante impulsos nerviosos. El termostato del cerebro advierte del peligro que supone que se altere la homeostasis térmica y pone en marcha los mecanismos necesarios (estrés homeostático). Mediante ciertas conexiones nerviosas se crea en la mente la sensación de calor, lo que fuerza al cazador paleolítico a despojarse de las pieles que cubren su cuerpo y a buscar una sombra donde refugiarse hasta la llegada de la noche. Además, en este caso, se inhibe el sistema nervioso simpático, se dilatan los vasos sanguíneos cutáneos para que circule más sangre por la piel y pueda refrigerarse: enrojece la piel y la cara. Los poros de la piel comienzan a segregar un líquido salado, el sudor, que la empapa y la enfría cuando, al evaporarse, le roba su calor. A la vez, se acelera la respiración para aumentar la pérdida de calor con el aire espirado. La inhibición del sistema nervioso simpático provoca que el organismo reduzca la producción de calor. Nuestro antecesor logra de esta forma superar la amenaza hipertérmica y mantener la homeostasis de su temperatura. Cuando disfrutamos de una sesión de sauna, exponemos a nuestro organismo a un estrés hipertérmico controlado. Vemos que en todas las saunas hay un cartelito con las indicaciones para disfrutar de esta sana actividad sin que el estrés térmico nos cause daño. La sauna puede llevar a la muerte cuando las consecuencias que desencadena el estrés hipertérmico son excesivas, bien por exceso de temperatura o por estar expuesto más tiempo del recomendado.

Niveles de control homeostático

La defensa de la homeostasis y, por supuesto, el estrés homeostático, puede actuar en varios niveles: molecular, celular, orgánico y poblacional.

Por ejemplo, a nivel molecular opera para limitar la cantidad de un determinado producto en una ruta metabólica. Es el caso, como veremos más adelante, de los mecanismos que utiliza el organismo para controlar los niveles de ácido úrico. Su descompensación origina una enfermedad llamada gota. Otro ejemplo interesante es la homeostasis de los valores de glucosa en el medio interno y su relación con la diabetes.

A nivel celular operan muchos mecanismos de interés, como por ejemplo el que sucede cuando nos hacemos una herida. Se ha producido un corte profundo. Se mueren numerosas células de la piel, incluso perdemos algunas células musculares. Hay que reparar la barrera que aísla nuestro medio interno. Entonces comienza un mecanismo de regeneración, las células se reproducen para reemplazar a las destruidas y este proceso continúa hasta que contactan las células que crecen desde un borde de la herida con las que lo hacen desde el otro. Y al entrar en contacto las nuevas células se generan unas señales que inhiben el crecimiento: la herida se cierra en una cicatriz. Las células cancerosas pierden este mecanismo homeostático y por eso crecen de forma anárquica generando los tumores o incluso invadiendo el organismo mediante las metástasis.

El nivel orgánico de la homeostasis es el que controla las alteraciones homeostáticas más complejas, como las variaciones en el contenido en agua y sal de nuestro medio interno, o la cantidad de grasa corporal. Para compensar, intervienen diversas estructuras corporales, hormonas y neurotransmisores.

Existe un cuarto nivel de homeostasis, la homeostasis poblacional, que se refiere a la constancia de las condiciones de vida (por ejemplo, número de individuos o capacidad de reproducción) de las poblaciones animales. Es típico que cuando hay abundancia de herbívoros por buen año de pastos, también prosperan los carnívoros que se alimentan de ellos y así controlan que el número de individuos se mantenga constante. Cuando en una especie determinada se produce superpoblación y hacinamiento se ponen en marcha mecanismos homeostáticos para inhibir la reproducción y así controlar el número óptimo de individuos. También operan homeostasis poblacionales en los seres humanos, no solo en las poblaciones primitivas, sino también en las sociedades desarrolladas. Un ejemplo es cómo proliferan enfermedades infecciosas, como la gripe, en las aglomeraciones poblacionales o cómo disminuye la producción de espermatozoides en los habitantes de zonas densamente pobladas.

Para saber más

El medio interno

El medio interno es complejo y se compone de varios compartimentos, cada uno de ellos separado de los otros por barreras especializadas y que mantienen una composición y propiedades características. El más importante de estos compartimentos es el medio intracelular, que está constituido por la suma de todos los billones de células que conforman nuestros órganos y tejidos. Este medio intracelular posee unas características comunes a todas las células (por ejemplo poco sodio y mucho potasio), pero algunas células de algunos tejidos poseen una composición peculiar adaptada a su función. Por ejemplo, las células de la grasa, el adipocito, son células capaces de llenarse de grasa en un 90 por ciento de su volumen; los glóbulos rojos de la sangre contienen mucha hemoglobina para poder transportar el oxígeno, etc.

Fuera de las células hay un líquido extracelular que a su vez se divide en compartimentos diferenciados con una composición y función particulares. Uno es el líquido intercelular, el que existe entre célula y célula, otro es el plasma o líquido de la sangre y otro es la linfa y también el líquido sinovial, el que lubrifica las articulaciones y el líquido cefalorraquídeo, que es el líquido intercelular que baña las células nerviosas.

Los siguientes textos y artículos pueden ampliar los conceptos de homeostasis, medio interno y sistemas de compartimentos al lector interesado en estos aspectos básicos de la fisiología.

Bernard, C. Introducción al estudio de la medicina experimental. El Ateneo, Buenos Aires, 1959.

Cannon, W.B. Organization for physiological homeostasis. Physiological reviews. 9: 399-431, 1929.

Unger, R.H. The milieu interieur and the islets of Langerhans. Diabetología. 20: 1-11,1981.