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UM-Tesauro V (30) 1 Evolución Inteligente: Investigación a lo largo de millones de años. Parte II. El Caso del Corazón Automatizado*. La Molécula de Oxígeno: El ´Pneuma´Aristotélico El Problema Metafísico Irresoluble La conjetura de la Vida es el eterno quid de la cuestión. En la naturaleza existe aquello que actúa como problemática y aquello que actúa como causa productiva de vida. Aparentemente, el material -la materia- y el elemento activo de la vida no se encuentran separados en su funcionamiento. Los primeros filósofos de la Escuela Filosófica Ioniana -más adelante dedicaremos un capítulo a la Primitiva Filosofía Griega- se embarcaban en especulaciones sobre sus alrededores y se mostraban impresionados con la unidad y el orden manifiestos en el mundo físico- en el mundo material- por ejemplo, la íntima relación entre las cosas no vivientes y los seres vivientes; aparecían, en realidad, como una unidad inteligible. En verdad, es la inteligibilidad del mundo la que inspira nuestro impulso para entender el mundo. Sin el orden inteligible del mundo, el estudio de éste desde la perspectiva de la investigación científica sería imposible. La sangre, los vasos y el corazón constituyen el sistema cardiovascular; la eternidad de su movimiento a través de millones de años-a lo largo del curso de la humanidad, también- es el principio de la vida. La Contracción Rítmica del Corazón Automatizado La milagrosa destreza para preservar la vida Refiérase a la información suministrada en el Tesauro Internacional –Edición Nº 28, enviado en Noviembre de 2010. Se puede solicitar a la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Morón. *** Aves y Mamíferos. El difícil proceso biológico para incorporar la molécula de oxígeno en el cuerpo. El ´Pneuma´Aristotélico Es fascinante examinar la evolución de las cámaras del corazón a través de millones de años. En el sistema cardiovascular, el quid de la cuestión es el transporte de la molécula de oxígeno a todas las células del cuerpo, para satisfacer las demandas metabólicas. Los corazones de las aves y de los mamíferos tienen cuatro cámaras, dos aurículas y dos ventrículos. En cambio, el corazón del pez tiene, en forma seriada, las siguientes cámaras: Primero el seno venoso, separado de la aurícula por la válvula sinoatrial, seguido por una única cámara ventricular mediante la válvula auriculoventricular, y finalmente el único ventrículo que abre en una cuarta cámara, el cono arterioso o bulbo arterioso. En las aves, el seno venoso es notoriamente más pequeño, pero aún se puede observar en un área anatómicamente discreta. En los mamíferos, el seno venoso está incorporado a la aurícula derecha y está representado por la parte interna suave de la cámara auricular derecha: el nodo sinoatrial se reduce a una pequeña masa ubicada en el lateral de la vena cava superior, según lo ya descripto. El nodo sinoatrial es responsable de iniciar la onda de contracción que se expande en todo el corazón como en todos los otros vertebrados. En aves, como en mamíferos, el cono arterioso (bulbo arterioso) es solamente una cámara embrionaria transitoria que se divide durante la gestación, dando origen a la arteria pulmonar y a la aorta ascendente. El corazón de las aves y de los mamíferos consiste en bombas paralelas con dos circuitos separados; por ejemplo, la circulación pulmonar y la sistémica. El ventrículo derecho recoge la sangre desoxigenada de la circulación venosa y la bombea a la arteria pulmonar. El ventrículo izquierdo bombea sangre oxigenada proveniente de los pulmones al circuito arterial sistémico. Por lo tanto, en aves y mamíferos, a lo largo de sus vidas, no hay normalmente derivación cardiaca con frecuencias de ventilación cambiantes, en oposición a los anfibios y reptiles, en los cuales la derivación cardiaca se utiliza normalmente para desviar la sangre ya sea al pulmón o a la aorta. UM-Tesauro V (30) Sin embargo, hay algo muy interesante en nuestro trabajo. Aunque la similitud estructural y funcional del corazón de las aves y el de los mamíferos (dobles bombas paralelas y dobles circuitos circulatorios), éstos surgen en forma independiente de distintos grupos de reptiles que son sus antecesores, y la apariencia del Septo interventricular y Septo interauricular que forman el par de cámaras se produce de forma totalmente diferente en ambos grupos. Esto significa que al finalizar el proceso de evolución del corazón, dos grupos absolutamente diferenciados (aves y mamíferos) alcanzan una estructura anatómica del corazón bastante similar, con un funcionamiento similar mediante un curso de evolución completamente diferente. Es apenas necesario enfatizar en el interés científico de esta importante observación. Habla muy mal del riesgo como motor de la evolución. Por el contrario, habla claramente de una finalidad ventajosa distante. Se ha sostenido que se considera que los vertebrados inferiores con separación parcial de las cámaras auricular y ventricular, respectivamente, tienen corazones incompletos, en comparación con la división anatómica completa de los corazones de los mamíferos. Por ende, ¿podría considerarse que los vertebrados inferiores tienen un diseño imperfecto? Sin embargo, en rigor éste no es el caso. La división interna incompleta del corazón y la disposición del arco aórtico asociada permiten a los dipneos regular sus patrones fisiológicos de circulación para que se modifiquen, según la disponibilidad de oxígeno en su medioambiente. Los dipneos son uno de los grupos de peces y respiran mediante los pulmones y las branquias. Los sistemas cardiovasculares de los vertebrados inferiores son extraordinariamente flexibles, posibilitando los ajustes a los patrones de ventilación de agua y aire. La desviación intracardíaca permite que el corazón de los invertebrados inferiores produzca diferentes presiones: presión alta dentro de las arterias sistémicas y presión baja en los pulmones. En el caso del cocodrilo, hay una válvula en la base de la arteria pulmonar; ésta puede cerrarse para limitar el flujo de sangre a los pulmones, ayudando a la derivación intracardiaca, que puede desviarse hasta un cuarto del débito cardiaco a la circulación arterial sistémica. Durante inmersiones prolongadas el flujo de sangre a través del foramen de Panizza puede 2 revertirse para asegurar la circulación coronaria y cerebral. El foramen de Panizza conecta los arcos aórticos sistémicos izquierdo y derecho. Se produce una significativa desviación intracardiaca mientras el reptil está en tierra, descansando. Ésta también puede ser una forma de mantener elevada la filtración glomerular, sin que sea necesario mantener la función pulmonar elevada cuando el alcance metabólico durante el descanso es bajo. En los cocodrilos, el arco aórtico izquierdo irriga gran parte del estómago y del intestino. Si se acumula dióxido de carbono en el corazón, se eleva la acidez de la sangre; la desviación de la sangre al intestino podría también contribuir a la digestión mediante la secreción de cloruro en el interior del estómago, luego de una alimentación abundante. Los dipneos y muchas otras especies de peces pueden experimentar un grado extremo de hipoxia. La vejiga natatoria altamente vascularizada puede ayudar. La sangre arterial sistémica es desviada desde la circulación general a los capilares de la vejiga natatoria, donde se capta el oxígeno y vuelve a la circulación general. En el Hoplosternum, de la familia del bagre, las ramificaciones de la aorta dorsal llevan la sangre a zonas del tracto digestivo ricas en lechos capilares. La sangre de los lechos capilares está expuesta a una burbuja de aire dentro del tracto digestivo; se extrae y desvía el oxígeno que forma la burbuja hacia la circulación general para mejorar la disminución global de la presión de oxígeno. Claramente, la función singular de la respiración accesoria es satisfacer las demandas metabólicas de los niveles de oxígeno en la sangre, como para compensar el bajo nivel en el agua y los períodos temporarios de hipoxia. Los dipneos son los únicos entre todas las especies de peces que existen en la actualidad que poseen una vena pulmonar discreta que posibilita el retorno de la sangre directamente al corazón bajo hipoxia prolongada frecuente; al estar fuera del agua este diseño cardiovascular les permite sobrevivir. Resumiendo, parece incorrecto decir que los vertebrados inferiores tienen un sistema cardiovascular de diseño imperfecto. Los ajustes cardiovasculares se adaptan perfectamente a las demandas del medio ambiente. Por ende, conforme a las condiciones de vida específicas, sus cuerpos también tienen diseños cardiovasculares específicos. Además, los vertebrados inferiores pueden tolerar un grado severo de hipoxia en sangre. UM-Tesauro V (30) Las demandas metabólicas más altas de la apariencia cerebral del humano son decisivas en el diseño de nuestro sistema cardiovascular. El cerebro humano no puede tolerar ningún grado de hipoxia y, como ya se mencionó, la falta de oxígeno durante solamente tres minutos (en paro cardiaco, por ejemplo) es causa de la destrucción fatal de la corteza cerebral del adulto. La asociación del desvío intracardiaco y de los arcos aórticos en los vertebrados inferiores, para regular la infusión de oxígeno, es definitivamente inviable en el caso de los seres humanos. La función del cerebro humano es extremadamente demandante y requiere tanta precisión que no confía en un desarrollo descontrolado, por lo que envía desde la cresta neural sus propias neuronas específicas para regular la formación del corazón de cuatro cámaras y la división del cono arterioso, según lo descripto más arriba. Además, el cerebro está permanentemente reuniendo información del nivel de presión de la sangre y de la presión de oxígeno en el flujo sanguíneo, a través de reflejos nerviosos bien determinados que comienzan en la bifurcación de la arteria carótida común. Desde el seno carotídeo – en el segmento proximal de la arteria carótida interna– se origina el aferente para la regulación de la presión sanguínea y corre a través del Nervio Glosofaríngeo (IX par craneal) hasta llegar al bulbo que emite la orden al corazón a través del Nervio Vago eferente (X par craneal); luego, el corazón disminuye su frecuencia y el volumen sistólico del ventrículo izquierdo; en medicina se lo denomina Reflejo Cardiaco. Por otra parte, el Reflejo Respiratorio controla el nivel de presión de oxígeno en sangre, comenzando en el Corpúsculo carotídeo— situado en la parte posterior de la bifurcación carotídea. Las fibras parasimpáticas circulan también a través del Nervio Glosofaríngeo, alcanzando el bulbo que realiza la descarga para estimular la función creciente tanto de los músculos respiratorios principales como de los auxiliares. Es la típica disnea que se observa en la deficiencia cardiaca o respiratoria. Incuestionablemente existe una Evolución Inteligente que los humanos han alcanzado como realidad última en lo que respecta a la formación de las cuatro cámaras cardiacas, además de la división del cono arterioso, dando lugar a una circulación pulmonar totalmente separada de la circulación arterial sistémica, e incluyendo los 3 reflejos respiratorios y cardiovasculares que se encuentran controlados por el cerebro. Claramente la realidad final suprema es la intervención fantástica del cerebro (cresta neural); por ejemplo, la migración de neuronas que invaden el corazón y los grandes vasos (arteria pulmonar y aorta), en la 5ta semana de gestación. Sin duda, el objetivo esencial del cerebro humano es tener disponible, en forma permanente, de día y de noche, durante una vida de 80 años, el normal y adecuado nivel sanguíneo de la molécula de oxígeno para satisfacer sus elevadísimas demandas metabólicas -el famoso pneuma de Aristóteles. Ahora bien, ¿quién es responsable-quién lidera- esta fantástica investigación de la Evolución Inteligente a lo largo de millones de años? ¿Podría haber un lugar a considerar para una investigación permanente sobre un motor inteligente? Sabemos que a ningún biólogo le gusta escribir en forma exhaustiva trabajos y libros sobre el tema que estamos tratando. Como viejo médico, simplemente puedo decir que nuestro profundo sentir es que es imposible reconocer la vida en un proceso de evolución no guiado, por ejemplo, un avance alocado y peligroso de la materia biológica, una actividad incesante a través de un período de millones de años. De cualquier forma, es realmente un misterio; al menos para mí. Ciertamente, es imposible responder correctamente la pregunta, y estamos convencidos de que nunca llegaremos al punto de entender esto; después de todo, es la respuesta de la pregunta metafísica más terrible; es la pregunta intrigante más importante respecto de la vida de un ser humano; respecto de la existencia de la humanidad. Evolución de la función rítmica del corazón El corazón embrionario del vertebrado más primitivo es tubular; las células que salen del mesodermo esplácnico forman un par medial del tubo endocárdico. Además, las células del mesodermo esplácnico proliferan, dando origen al epimiocardio. El tubo endocárdico y el epimiocardio se fusionan para formar un corazón tubular simple, ubicado en el centro. Luego, el primitivo corazón embrionario es tubular y tiene latidos rítmicos autónomos que encaminan la sangre a través de la red vascular en desarrollo, aproximadamente a la tercera semana de gestación-21 días. El corazón tubular se desarrolla rápidamente en cuatro cámaras contiguas. El seno venoso es la primera cámara en recibir la sangre venosa de UM-Tesauro V (30) retorno. La segunda cámara es la aurícula, y luego la sangre fluye hacia la tercera cámara, el ventrículo; en el siguiente paso, la sangre llega a la cuarta cámara, el bulbo arterioso, y finalmente permite que la sangre del corazón ingrese en el sistema circulatorio para prefundir todas las células del cuerpo. En la rana, cada contracción del corazón comienza con una carga negativa localizada que se difunde sobre la superficie del seno venoso. Luego, el corazón de la rana, el marcapasos es el seno venoso. En los teleósteos, con sus vestigios de seno venoso, el principal centro de coordinación parece ser la aurícula derecha. En realidad, en vertebrados más primitivos los músculos del corazón son relativamente continuos y el seno venoso coordina el latido que pasa en una onda interrumpida a través de las cámaras restantes. Dado que el seno venoso está incorporado en la aurícula derecha en los amniotas, es probablemente homólogo al nodo sinoatrial. En las aves y en los mamíferos fibras conducentes especiales- que surgen de las células musculares modificadas- transmiten la onda de excitación; y éste es el sistema práctico exitoso para trabajar en forma incesante-día y noche- durante toda una vida humana. Previamente hemos señalado un mecanismo fisiológico importante del Sistema Nervioso Autónomo. El neurotransmisor de las fibras parasimpáticas es la acetilcolina y el de las fibras simpáticas es la adrenalina. Por el contrario, reiteramos que el Sistema Intrínseco de Conducción Eléctrica ha desarrollado su propio sistema para estimular la actividad contráctil de las cámaras cardiacas. Este sistema rítmico intrínseco tiene también su propio mecanismo de acción, y funciona de forma absolutamente independiente de los centros del cerebro. Sin embargo, se debe recordar, como se mencionó anteriormente, que el Sistema Nervioso Autónomo suple todos los tejidos del cuerpo y ciertamente los Nodos del sistema intrínseco del corazón también. El sistema nervioso autónomo actúa, entonces, bajo episodios aislados de presión psicológica, pero nunca como mecanismo rítmico del corazón. El conocido ECG registra la actividad eléctrica de contracción de las cámaras del músculo cardiaco, y esta corriente eléctrica se origina en el interior de las células miocárdicas modificadas, es decir, en el sistema intrínseco de conducción. 4 En reposo, los interiores de las células del músculo cardiaco tienen carga negativa (están ´polarizadas´). Pero al iniciar una onda eléctrica a través del miocardio, el interior de las células miocárdicas se vuelve positivo (se despolariza) y esta onda de despolarización estimula la despolarización de todas las células musculares del corazón que se contraen. Entonces, la despolarización puede considerarse una onda de avance de cargas positivas dentro de los miocitos del corazón e inicia la contracción de los miocitos en reposo, ya que la carga en cada célula se vuelve positiva. Una onda de despolarización que avanza a través del miocardio y produce una contracción célula a célula es producida por iones de sodio de movimiento rápido. La onda de despolarización que recorre las aurículas produce la onda positiva P en el ECG. Además, la repolarización (período de descanso) de miocitos cardiacos comienza inmediatamente después de la despolarización contráctil. La repolarización es debido al flujo controlado de iones de potasio proveniente de los miocitos. Se produce la repolarización, de modo que los miocitos puedan recuperar su carga negativa interior en reposo, siendo luego despolarizados nuevamente en forma rítmica. En realidad, existe un hecho increíble en el diseño completo de este circuito eléctrico. La onda de despolarización originada en el Nodo del Sistema Autónomo (el marcapasos del corazón) llega al Nodo Auriculoventricular que es el único recorrido eléctrico entre las aurículas y los ventrículos, porque las válvulas mitral y tricúspide se encuentran entre las aurículas y los ventrículos, teniendo como función aislar la aurícula del ventrículo. Ahora bien, ¿qué ocurre en el nodo auriculoventricular con la onda de despolarización eléctrica que proviene del nodo auriculoventricular? Se ralenta el impulso eléctrico. Los iones de sodio responsables de la despolarización rápida de la aurícula cambian a Iones de calcio en el nodo auriculoventricular. Los iones de calcio tienen la propiedad de conducir lentamente el impulso eléctrico a través del nodo auriculoventricular. Por lo tanto, cuando la onda de la despolarización auricular ingresa en el nodo auriculoventricular, se ralenta la despolarización, produciendo una breve pausa, dando así tiempo para que el volumen de sangre de la contracción auricular mecánica pueda llegar a los ventrículos. UM-Tesauro V (30) Ahora, querido lector, puedo humildemente preguntar quién ha diseñado este fantástico sistema autogenerado de conducción eléctrica intrínseco que incluso se ralenta en el nodo auriculoventricular para tomar un pequeño tiempo de descanso que permita a la sangre fluir a través de las válvulas mitral y tricúspide fibrosas. Es increíble esta correlación entre la actividad eléctrica y la fisiología valvular mecánica. En verdad, es casi imposible admitir, desde el punto de vista científico, que un mecanismo alocado y riesgoso es el rector de la evolución. La ralentización de la despolarización del nodo auriculoventricular se registra en el ECG como un segmento corto de línea plana luego de cada onda P; es el segmento importante para estudiar los bloqueos auriculoventriculares, por ejemplo la longitud entre la despolarización auricular y la ventricular. Actualmente, en la cardiología clínica se describen tres grados de bloqueos auriculoventriculares. El primero que prolonga la conducción auriculoventricular no es clínicamente tan importante. No obstante, el bloqueo auriculoventricular de tercer grado que bloquea completamente la conducción de los estímulos auriculares a los ventrículos no es raro que se constituya en una verdadera emergencia médica, y el implante de un marcapasos para regular la frecuencia cardiaca podría salvar la vida. Hemos analizado que la despolarización se desplaza lentamente a través del nodo auriculoventricular y luego toma la ruta rápida del haz de His y sus ramas izquierda y derecha que continúan con las fibras de conducción rápida de Purkinje. Los filamentos terminales de las fibras de Purkinje distribuyen rápidamente la despolarización a los miocitos de ambos ventrículos. En el ECG se muestra la despolarización del miocardio ventricular como complejo QRS. Como las fibras Purkinje en el miocardio, las ramas izquierda y derecha y las fibras terminales endocárdicas utilizan iones de sodio (Na) de rápido movimiento para la conducción de la despolarización. El diseño inteligente en la creación de un sistema cardiaco automático rítmico -absolutamente independiente del control del cerebro- al modificar 5 sus propias células miocárdicas es desde el punto de vista ontológico y epistemológico un extraordinario descubrimiento de la ciencia moderna. El profundo significado de la migración embriológica de neuronas cerebrales al sistema cardiovascular, que comienza en la quinta semana de gestación, es un verdadero misterio. A partir de allí -bajo el control de las corrientes migratorias de la cresta neural- ocurre algo increíble: se forman las cuatro cámaras cardiacas, el bulbo arterioso se divide en arteria pulmonar y aorta ascendente; finalmente se perfilan las válvulas auriculoventriculares completas; y se forma la aorta ascendente y la capa endotelial de los grandes vasos. Además, el Sistema Nervioso Autónomo, sistemas parasimpático y simpático que incluyen sus neurotransmisores -acetilcolina y adrenalina-, se desarrolla a partir de las neuronas migratorias de la cresta neural del cerebro primitivo embrionario, que incluye la médula de las glándulas, la mayor formación y almacenamiento de adrenalina del cuerpo. Domingo S. LIOTTA, MD Decano de la Facultad de Medicina Universidad de Morón, Morón Buenos Aires, Argentina medicina@unimoron.edu.ar Bibliografía Seleccionada Romer A.S. Parsons T.S. 1986. The vertebrate body 6th ed. Philadelphia; Saunders College Publishing. Wolff Ronald G. 1992. Functional chordate anatomy D.C. Heath and Company Ed. Lexington Massachusetts, USA, Toronto, Canada. Wake Marvalee H. 1992. Hyman’s comparative vertebrate anatomy 3rd ed. The University of Chicago Press. Kardong, Kenneth V. 1997. Vertebrates; comparative anatomy, function, evolution. Chapter twelve: The circulatory system 2nd Edition Mc Graw-Hill, Boston. Liotta D. 2007. Amazing Adventures of a Heart Surgeon: The Artificial Heart the Frontiers of Human Life, Chapter 20, The Aristotelian’s ‘Pneuma’. iUniverse,Inc. Publishing Company, New York. *** * Selección de La Cruz en la Ventana. Capítulo 4, libro a publicar próximamente de autoría del Dr. Domingo S. Liotta.