Como vemos, a finales del siglo XIX las grandes líneas maestras de la teoría biológica han quedado establecidas. Mientras, había biólogos especulativos que desarrollaban teorías de la herencia que postulaban que los materiales genéticos de los organismos deberían presentar los fenómenos mostrados por los cromosomas durante la formación de las células sexuales. Siguiendo las teorías del botánico Carl Nageli (1817-91); August Weismann (1834-1914), un profesor de zoología de Friburgo, publicó un "Ensayo sobre la Herencia y Cuestiones biológicas emparentadas" en el que estableció una distinción tajante entre lo que denominaba germoplasma, responsable de la transmisión de los caracteres hereditarios, esto es el idioplasma de Nageli, y el soma o plasma corporal. Señalaba que las criaturas unicelulares simples se propagaban asexualmente dividiéndose en dos, con lo que resultaban inmortales. En los animales superiores el cuerpo es mortal, siendo sólo inmortal el germoplasma que pasa de una generación a otra. Weismann postuló en 1887 que, a fin de evitar la duplicidad de las unidades del germoplasma con cada generación sexual, antes de la unión sexual, el germoplasma tanto del macho como de la hembra se dividía en dos, de manera que el germoplasma de la descendencia se formaba mediante la unión de un medio de cada progenitor. Una vez dilucidada la conducta de los cromosomas durante la formación del óvulo y el espermatozoide; Weismann procedió a identificar el germoplasma con los cromosomas, sugiriendo que estos últimos se dividían longitudinalmente para formar unidades.
Otra de las especulaciones de Nageli, su idea de que existía una fuerza interna en el germoplasma de los organismos que daba lugar a mutaciones notables y repentinas, fue tomada por de Vries (1848-1935) en Amsterdam, a fin de acomodar la historia de la evolución orgánica a la brevedad de las estimaciones de la edad de la tierra hechas por físicos como Kelvin. A partir de 1885, de Vries empezó a buscar tales cambios por mutación en los organismos, hallándolos en una colonia salvaje de la onagra americana. Entrando en el siglo XX, Bateson (1861-1926) en Inglaterra y Johannsen (1857-1927) en Dinamarca buscaban también mutaciones. Johannsen, quien acuñó el nombre de "genes", crió alubias autofertilizadas, obteniendo estirpes puras que producían siempre semillas con el mismo peso medio pero en un caso dio con una mutación: el peso medio de las semillas variaba espontáneamente, conservándose este cambio en las generaciones sucesivas. En este momento, de Vries, Correns y Tschermak examinaron los trabajos anteriores sobre el tema de la herencia y mutación, encontrándolo en lo publicado por Gregor Mendel en 1866 y 1869.
Mendel (1822-1884), un fraile de Brno, realizó una serie de experimentos que llevarían a una nueva comprensión del mecanismo de la herencia. Su gran contribución fue demostrar que las características hereditarias son llevadas en unidades discretas que se reparten por separado (se redistribuyen) en cada generación. Estas unidades discretas que Mendel llamó "elemente", finalmente fueron conocidas como "genes" (término acuñado por Johannsen en 1903). Mendel escogió el guisante común, Pisum sativum, planta fácil de cultivar y de crecimiento rápido. Las distintas variedades de plantas tienen características cuyas variantes son claramente diferentes y constituyen líneas que se reproducen puras (homocigotas), reapareciendo sin cambios de una generación a la siguiente. Como dijo Mendel en su trabajo original, "El valor y la utilidad de cualquier experimento dependen de la elección del material adecuado al propósito para el cual se lo usa". De hecho, planeó sus experimentos con cuidado, eligiendo para su estudio solamente características hereditarias con variantes bien definidas y mensurables. No sólo estudió la progenie de la primera generación, sino también de la segunda y de las subsiguientes. Contó los descendientes y luego analizó los resultados matemáticamente. Aunque su matemática era simple, la idea de que un problema biológico podía estudiarse cuantitativamente fue sorprendentemente nueva. Finalmente, organizó los datos de tal manera que sus resultados pudieran ser evaluados en forma simple y objetiva. Los experimentos mismos fueron descritos con tanta claridad que pudieron ser repetidos y controlados por otros científicos. Pero, efectivamente, Mendel eligió ¡con inteligencia! "el material, adecuado al propósito para el cual se lo usa", eludiendo el análisis de los caracteres que no se transmitían de forma claramente mesurable y que no se ajustaban a su formulación matemática y que, a la vista de los conocimientos actuales, han resultado ser la mayoría, siendo pocos los transmitidos por herencia mendeliana. Aún así, Mendel sigue siendo considerado el padre de la Genética, término propuesto por Bateson en el transcurso de la "Conference on Hybridization and Plant Breeding" (Londres, 1906) para referirse a la actividad que allí les reunía y que él definió como "la ciencia que estudia la herencia y la variación en los seres vivos".
A principios del s. XX las grandes líneas maestras de la teoría biológica habían quedado establecidas; a partir de entonces, el desarrollo de la Biología va a depender más del avance en los procedimientos analíticos que de las grandes innovaciones teóricas. Durante este siglo tienen lugar importantes descubrimientos y el entendimiento de muchos fenómenos biológicos desciende al nivel subcelular y molecular. Por otra parte, la obtención de abundante información y el alto grado de especialización dan lugar a una subdivisión progresiva en áreas de estudio, definidas por el objeto de atención y por la metodología experimental.
El desarrollo tecnológico supone un fuerte impulso al estudio de la célula, destacando el microscopio de contraste de fases (Zernicke, 1932) que permite observar células vivas sin teñir, el desarrollo de las técnicas de autorradiografía por Lacasagne (1924) y de inmunofluorescencia por Coons (1941) o la construcción del primer microscopio electrónico por Ruska (1930) y la puesta a punto de las diversas técnicas de preparación de muestras para microscopía, a partir de los años cincuenta. Paralelamente al descubrimiento del microscopio electrónico, tiene lugar el desarrollo de las técnicas de fraccionamiento celular, permitiendo la separación de los distintos orgánulos por ultracentrifugación diferencial de homogeneizados, obteniéndolos en cantidades suficientes para su análisis bioquímico y estructural. Así, el citoplasma atrae la atención de investigadores como Claude, Porter, Palade y de Duve, y tiene lugar el aislamiento y caracterización química de mitocondrias, retículo endoplásmico, ribosomas y lisosomas. En los años sesenta Sabatini y Blobel estudian la regulación del tráfico y destino de las proteínas dentro de la célula eucariota.
A partir de los años veinte se establece la importancia de las enzimas, contribuyendo a ello Warburg (1923) con el descubrimiento de las enzimas respiratorias. Del estudio de las reacciones aisladas se pasó a la investigación de las vías metabólicas celulares. En 1932, Krebs el ciclo del ácido cítrico. Inicialmente, los trabajos realizados en enzimología y metabolismo se efectuaban con independencia de la estructura celular, pero a partir de los años cuarenta-cincuenta empezaron a desarrollarse técnicas de histoquímica enzimática, debidas a Lison, Glick, Gomori y Pearse. También se comienzan a utilizar los isótopos radiactivos para el estudio de las rutas metabólicas y procesos biológicos. Así, Kennedy y Lehninger sitúan el ciclo de Krebs dentro de la mitocondria en los eucariotas. En 1950, Lynen describe la ruta de oxidación de los ácidos grasos. El empleo de isótopos radiactivos permitió al grupo de Calvin dilucidar las reacciones implicadas en la fotosíntesis. Arnon demuestra que el ATP se genera a partir del ADP y el Pi durante la transferencia electrónica fotosintética en cloroplastos de espinaca iluminados. En los sesenta Mitchell postula la hipótesis quimiosmótica sobre la transducción de energía en los seres vivos. Durante este periodo, se elucidan las etapas de síntesis y degradación de la mayoría de los compuestos biológicos, gracias a la contribución de equipos dirigidos por Krebs, Ochoa, Kornberg, Lynen, Khorana, Niremberg, Lipman, etc.
Por otra parte, también tiene lugar el desarrollo de técnicas de separación molecular para la determinación de la composición de distintas fracciones celulares; en 1906 Tswett utiliza por vez primera la cromatografía para separar pigmentos vegetales; la electroforesis es introducida en 1933, permitiendo la separación de proteínas en solución. Asimismo, los métodos de análisis cristalográfico basados en la difracción de rayos X, desarrollados por von Laue, W.L. Bragg y W.H. Bragg (1912), contribuyen decisivamente al estudio de la estructura de las biomoléculas, especialmente de las proteínas y los ácidos nucleicos y conduce a que Michel en 1985 describa, por primera vez, la estructura del centro de reacción fotosintético de Rhodopseudomonas viridis.
Starling, en 1902, proporciona la primera prueba sobre la existencia de las hormonas, al comprobar la secreción de jugo pancreático por estimulación de la mucosa intestinal con unas gotas de ácido clorhídrico, habiendo previamente denervado el intestino, lo que le hizo pensar en la existencia de un mensajero químico, que aisló y denominó secretina. Posteriormente, fueron encontrándose otros mensajeros químicos que Hardy denominó colectivamente hormonas (del griego "hormaein", excitar). La primera prueba de la existencia de hormonas en los vegetales con capacidad para estimular su crecimiento fue propuesta por Darwin en sus estudios de fototropismo del coleóptilo del alpiste. Posteriormente Went en 1928 aisló la auxina (del griego aux: crecer) como la sustancia fototrópica responsable del crecimiento de los coleóptilos.
El sistema nervioso era ya conocido con cierto detalle, tanto en sus aspectos estructurales como funcionales. En 1906, Sherrington publica "The integrative action of the Nervous System" basada en sus estudios sobre el arco reflejo, donde elabora el concepto de la acción integradora del sistema nervioso central. En 1907, Harrison consigue cultivar fragmentos de médula espinal de anfibio y comprobar así el crecimiento de los axones. Estos experimentos serían el punto de partida para las técnicas de cultivos celulares, que permiten simplificar y controlar rigurosamente las condiciones experimentales en el estudio del funcionamiento celular.
Ramón y Cajal había demostrado que las neuronas eran células individualizadas, Parecía lógico pues, pensar que el impulso nervioso fuese transmitido por una sustancia liberada en el extremo de la terminación nerviosa. En 1920, Loewi comprobó que la estimulación del nervio vago de un corazón, libera al medio una sustancia capaz de producir, sobre otro corazón, los mismos efectos que la estimulación vagal. Esta sustancia fue identificada posteriormente como acetilcolina. Estos descubrimientos, junto con los estudios de Hodgkin, Huxley y Katz sobre los cambios de potencial eléctrico celular, constituyen el fundamento de la Neurobiología.
La historia de la bacteriología en el siglo XX comienza con el descubrimiento, basado en los trabajos de Reed en 1900, de que la causa de la fiebre amarilla es un virus filtrable transmitido por mosquitos, siendo esta la primera vez que se describe que un virus causa una enfermedad humana. En esta misma línea de trabajo, Peyton Rous descubre en 1911 que un virus puede causar cáncer. En 1915, Fredrick Twort descubre el primer bacteriófago término acuñado por d´Herrelle en 1917. En 1928, Griffith descubre el fenómeno de la transformación en bacterias, estableciendo la fundación de lo que conocemos como Genética Molecular. En 1929, Fleming publica el primer artículo describiendo la penicilina y su efecto en microorganismos gram positivos. Cuando la penicilina puede producirse en grandes cantidades en los años cuarenta, nace la "era de los antibióticos". En 1931, Van Niel muestra que las bacterias fotosintéticas usan compuestos reducidos como donadores de electrones sin producir oxígeno; él postula que las plantas usan agua como fuente de electrones y por eso, liberan oxígeno. A partir de los años cuarenta, la bacteriología va a ser fundamental para, por una parte, probar que el ADN, no las proteínas, es el material genético celular y, por otra parte, para abrir el camino hacia las tecnologías de ADN recombinante y hacia la era de la genómica que comienza con la secuenciación en 1995 de dos genomas bacterianos.
A principios del siglo XX, el conocimiento básico de la estructura celular permitió establecer las bases citológicas de los fenómenos hereditarios al comenzar a interpretarse los datos de la genética por medio del comportamiento de los cromosomas. Thomas Morgan, psicólogo y científico americano, y sus colaboradores dieron a conocer sus trabajos sobre la teoría cromosómica de la herencia, donde señalaron como se establece la ubicación de los genes o factores hereditarios en los cromosomas y sus relaciones recíprocas. Morgan eligió a la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, como su organismo experimental; resultando ser una herramienta muy adecuada para los estudios de genética animal. Varios colaboradores de Morgan hicieron descubrimientos esenciales en la historia de la Genética; así, Bridges colaboró con él en el descubrimiento de la herencia ligada al sexo y descubrió el fenómeno de la disyunción de los cromosomas durante la meiosis, Sturtevant desarrolló la teoría del ligamiento genético y sus contribuciones y las de Plough en 1917 sobre el cruzamiento cromosómico permitió elaborar los primeros mapas cromosómicos y Muller, otro de sus seguidores, se distinguió por sus estudios sobre las mutaciones. El sobrecruzamiento y reordenación de los cromosomas contribuyó a explicar la mezcla de constituciones genéticas en una especie. Un conjunto de características asociadas a un único cromosoma en un progenitor podría distribuirse en dos en la generación inmediata, separándose y difundiéndose más aún en las generaciones siguientes. Características nuevas podrían aparecer por el surgimiento de un nuevo gen por mutación o por una nueva combinación de genes existentes, así como por cambios cromosómicos internos, como la desaparición, duplicación, transposición e inversión de partes o los cambios que entrañaban conjuntos enteros de cromosomas. De este modo, la selección natural disponía de una gran variabilidad sobre la que operar seleccionando las combinaciones favorables. De esta forma, se introdujo a la genética mendeliana en la teoría darwinista de la evolución orgánica. La combinación entre ambas se conoce como la síntesis neodarwiniana o Teoría Sintética de la Evolución formulada entre otros por el paleontólogo George Gaylord Simpson, el ornitólogo Ernst Mayr y el Botánico Leyard Stebbins y está considerada como la teoría evolucionista "oficialmente" válida.
A principios de los años cuarenta, si bien la Genética mendeliana era ampliamente aceptada, su elemento fundamental, el gen, era todavía una entidad puramente funcional sin un sustrato material definido, aparte del hecho de formar parte de los cromosomas. Los experimentos de Griffith en 1928, y de Avery, McLeod y McCarthy en 1944 con Pneumococcus y, finalmente, los de Hershey y Chase en 1951 con bacteriófagos T2 demuestran, sin lugar a dudas, que el ADN es el material genético de las células, dando lugar al nacimiento de la Genética Molecular. Este hecho constituyó un cambio brusco en la corriente de pensamiento de aquella época, en la que se asignaba al ácido desoxirribonucleico un papel meramente estructural. Poco después, Watson y Crick (1953) desarrollan un modelo de estructura del ADN de doble hélice, basado en los análisis estequiométricos de las bases de Chargaff y en los diagramas de difracción de rayos X de Wilkins y Franklin. El modelo de doble hélice sugiere inmediatamente el mecanismo de duplicación, requerido para la conservación del material genético. Este mecanismo semiconservativo es elegantemente demostrado por Meselson y Stahl en 1958.
Revelada en líneas generales la estructura del material genético, se dirigió el estudio al conocimiento de cómo se producía la acción del gen, es decir, la determinación del carácter fenotípico. En 1909 Garod descubre la relación entre un defecto genético y una anomalía bioquímica, al observar que la alcaptonuria venía provocada por una mutación recesiva que se hereda de acuerdo con las leyes de la herencia mendeliana. En 1940, como consecuencia de sus estudios con mutantes auxotróficos de Neurospora crassa, Beadle y Tatum postulan su hipótesis de "un gen-una enzima". Establecida esta relación, era necesario conocer los mecanismos a través de los cuales el ADN especifica la secuencia de aminoácidos de una proteína . Crick postula en 1958 la existencia del ARN de transferencia que, con el descubrimiento en 1961 del ARN mensajero, constituyen las piezas clave de los mecanismos de expresión génica. Se emprende una de las carreras más apasionantes de la historia de la Biología: el desciframiento del código genético, llevada a cabo por los grupos de Nieremberg, Ochoa y Khorana.
A principios de los años sesenta, se conocía el esquema básico de los mecanismos de almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. A partir de aquí, todo transcurre a velocidad de vértigo:
En 1961, como resultado del extenso trabajo realizado sobre la inducción enzimática en Escherichia coli, Jacob, Monod y Lwoff formulan un modelo de regulación de la transcripción génica: el modelo del operón, donde unos genes pueden regular la actividad de otros genes y da una explicación en términos moleculares de la adaptación del metabolismo bacteriano a los cambios ambientales. A principios de los setenta comienza el auge del estudio de sistemas eucarióticos.
En 1965, Arber descubre las nucleasas de restricción, que protegen a las bacterias de ADNs invasores. Se consideraron en principio como una curiosidad científica, y hoy son las principales herramientas de manipulación del material genético. Este descubrimiento, junto con el desarrollo de las técnicas de secuenciación de ADN y la enzimología de los ácidos nucleicos, se puede considerar como el punto de partida de la Ingeniería Genética. Fragmentos de restricción procedentes de distintos ADNs pueden unirse covalentemente e insertarse en un vector que es introducido en el interior de bacterias, y de esta manera pueden ser eficientemente expresados. En la década de los 80 Mullis desarrolla la reacción en cadena de la polimerasa, conocida como PCR, que permite fabricar un número ilimitado de copias de un fragmento concreto de ADN. Esta técnica ha contribuido al desarrollo de los estudios poblacionales y evolutivos y a la secuenciación de genomas completos y con ello, al nacimiento de la genómica.
La idea de que cromosomas rigen los procesos de desarrollo de los organismos, más bien que sus características adultas, unió a la genética y la embriología. Hasta ese momento ambas ciencias se habían mantenido aparte, pues los factores que regían el desarrollo del organismo individual descubiertos por los embriólogos residían en el material celular externo al núcleo del huevo fertilizado, en el citoplasma y no en los cromosomas del núcleo, tal como defendían los genetistas. Algunos embriólogos, especialmente Boveri, Loeb y Jenkinson, llegaron a sugerir a partir de 1917 que los caracteres principales de un organismo, determinantes del philum, la clase, el orden, el género y quizá la especie a la que pertenecía, estaban regidos por factores del citoplasma del huevo fertilizado, mientras que los factores del núcleo sólo determinaban los caracteres de las variedades, como la altura de los guisantes de Mendel. Dicho punto de vista se fue abandonando cuando la embriología pasó de ser más experimental; Roux (1850-1924) fue pionero en dicha experimentación; sus resultados junto a los de Hertwig, Driesch y otros sugirieron a los genetistas americanos Morgan, Bridges y Sturtevant que el citoplasma de los huevos estaba controlado por los genes de los cromosomas del núcleo, siendo el citoplasma de escasa importancia para la herencia o para la evolución de las especies. En la actualidad, sabemos que en las células eucarióticas existe una herencia citoplasmática ubicada, al menos, en los orgánulos energéticos: mitocondrias y cloroplastos que contienen su propio ADN.
Más tarde se comprendió que el entendimiento de la embriología pasa por la comprensión de los fenómenos de diferenciación celular. Las divisiones por segmentación en sí mismas, no conducen a un programa de desarrollo; cuya verdadera esencia está, en cambio, el proceso de diferenciación celular. Hoy en día sabemos que el desarrollo de un zigoto para dar lugar a un animal o una planta multicelular, con variedad de tejidos y tipos celulares, comportan grandes cambios coordinados en la expresión del genoma de un organismo. Durante el desarrollo temprano se expresan más genes que en cualquier otra fase del ciclo de vida. La Biología del Desarrollo se configura como una de las disciplinas más relevantes del momento actual de la Biología. Lewis fue el pionero, en los años cuarenta, de esta disciplina al descubrir los genes hox en Drosophila melanogaster. Cada uno de los genes hox especifica el desarrollo de una parte del cuerpo de atrás hacia delante. El orden de los genes en los cromosomas y el orden de las partes del cuerpo es el mismo. Las mutaciones en genes hox transforman un segmento en otro, produciendo, por ejemplo, una mosca con cuatro alas en vez de dos. En los años ochenta, Christiane Nüsslein-Volhard y Eric Wieschaus, en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular pudieron identificar y clasificar otros muchos genes que también afectan al plan general del embrión de la mosca y a la forma como se divide en segmentos. Con el desarrollo de técnicas moleculares cada vez más precisas, se ha encontrado que los genes hox y los descubiertos posteriormente estaban presentes en un número creciente de animales, incluido el hombre: las similitudes en la embriogénesis temprana en diferentes grupos de organismos, podrían indicar que el programa genético de desarrollo es ancestral; en este sentido se ha propuesto que la explosión del Cámbrico podría deberse a la aparición de los genes hox. El equipo de J. Carlos Izpisúa del Instituto Salk ha descubierto recientemente dos familias de genes: Wnt y FGF que controlan la regeneración de las extremidades en el axolote mejicano. Este descubrimiento puede tener una importancia capital en la regeneración de miembros e incluso órganos humanos. Por lo tanto, el conocimiento del mecanismo básico del desarrollo puede permitir esclarecer muchas vías de evolución y comprender como en la era de la genómica, sutiles cambios en expresión génica pueden estar en el origen de la gran diversidad de organismos.
Durante el siglo XX, la joven Ecología se desarrolla como ciencia de síntesis, que combina materiales de distintas disciplinas con puntos de vista propios. Lotka, en 1925, es el primero en tratar poblaciones y comunidades como sistemas termodinámicos. También muestra cómo el comportamiento de estos sistemas puede ser descrito matemáticamente en términos de interacciones entre sus componentes. En 1927 Eldon desarrolla el concepto de nicho y de pirámides ecológicas, y estudia las relaciones alimentarias. Bajo esta perspectiva, el funcionamiento de los ecosistemas se describe como movimiento y transformaciones de materia y energía. Lindeman en 1942 detalla el flujo de energía, incidiendo en la idea de los ecosistemas como sistemas transformadores de energía e introduciendo la noción de eficiencia ecológica. La Ecología energética es posteriormente desarrollada por Odum y Oving. Por otra parte, la Ecología de sistemas, basada en las ideas de Lotka, se desarrolla con la introducción de la Teoría de la Información de Margalef y la Teoría de Juegos apoyada por los avances de la informática.
Surgen nuevas áreas de conocimiento, como la Etología, que estudia el comportamiento animal. Desde la segunda mitad del siglo, los evolucionistas sitemáticos mantienen que las pautas de comportamiento son producto de la selección natural y podrían utilizarse con finalidad filogenética, de la misma forma que los parámetros morfológicos o bioquímicos. En 1973 y, por primera vez, especialistas de esta rama del saber biológico, K. Von Frisch, K.Lorenz y N. Kimbergen, recibían el premio Nobel de medicina y fisiología por sus trabajos.
Varios frentes o líneas maestras de investigación, que pueden incluso cambiar nuestra visión actual sobre el mundo, están ahora mismos abiertos.
Actualmente, la secuenciación y anotación de más de cien genomas es una fuente inagotable de datos que junto con el desarrollo de herramientas bioinformáticas, de las micromatrices de ADN y de la proteómica permite abordar el estudio de los seres vivos en toda su complejidad escapando al enfoque reduccionista. Este enfoque reduccionista, a pesar de haber sido uno de los motores más potentes de la investigación en Biología hasta el momento, siempre tiene la limitación de alterar el sistema viviente de estudio y, por lo tanto, interfiere con la explicación del proceso estudiado. El nuevo abordaje va a permitir comprender como las partes de las células y de los organismos están integradas funcionalmente. Así, la anotación de los genomas ha revelado que a un porcentaje relativamente elevado, que varía según las peculiaridades de la especie, de los genes secuenciados no se les puede asignar "a priori" una función basándose en homologías de secuencias existentes en las bases de datos o en estudios bioquímicos previos. Por lo tanto, se abre un campo de estudios muy amplio que va a llevar todavía mucho tiempo, que podríamos denominar era postgenómica en la que entender la función de los genes y su regulación va a ser fundamental para entender la complejidad celular. La genómica funcional y sobre todo la proteómica están permitiendo estudiar patrones de expresión de familias completas de genes y permitirá estudiar, en un futuro próximo, dichos patrones incluso del genoma entero en distintas circunstancias; así como identificar y determinar la función de todas las proteínas en una célula. Se podrán, además, estudiar las interacciones proteína-proteína, lo que permitirá crear un mapa celular de dichas interacciones que puede tener un valor fundamental para entender el funcionamiento celular y sin duda, dará lugar a una nueva Teoría Celular en la que todos sus elementos estén integrados y en la que las rutas y redes informativas permitan obtener modelos reales de la estructura y funcionamiento celular. La combinación de los conocimientos adquiridos en genómica y proteómica y el desarrollo espectacular de la bioinformática está permitiendo la elaboración de modelos de rutas metabólicas completas (metabolómica) e incluso modelos celulares. Estos modelos, además de la investigación básica que permitirá la integración de todo el metabolismo celular, presentan un enorme interés biomédico, especialmente para el desarrollo de nuevos fármacos.
Con tantos datos es deseable que, en las próximas décadas, se avance en los distintos temas de investigación, como el estudio de los mecanismos de control y regulación del crecimiento y división celular, las bases moleculares que determinan la invasión y metástasis por células transformadas o las implicaciones que pueda tener en estos procesos el sistema inmune. Especialmente, los estudios de los mecanismos de control y diferenciación celular durante el desarrollo embrionario deben llevar a la Biología del Desarrollo y la Evolución, valga la redundancia, a vivir un periodo de amplia revisión que nos permita acercarnos definitivamente a la base de los mismos. En este sentido, la genómica funcional y la proteómica pueden ofrecer claves importantes en el estudio de los mecanismos de diferenciación de los distintos organismos. Muchos biólogos del desarrollo opinan que el que, finalmente, se desarrolle un tipo de organismo u otro podría deberse a cambios sutiles en la expresión génica. Sorprendentemente, la secuenciación de genomas parece indicar, a priori, que el número de genes per se y por lo tanto la cantidad bruta de información no parece estar muy relacionado con los niveles de complejidad encontrados en los organismos, sobre todo si consideramos que en el genoma humano el 45% del ADN corresponde a secuencias repetidas y podría pensarse que quizá cambios de expresión génica podrían ser los responsables de los distintos patrones de desarrollo.
En cuanto al tema evolutivo, los estudios genómicos aportan una valiosa información sobre filogenia de las especies. Así la secuenciación de genomas de procariotas poco relacionados a priori como pueden ser las bacterias y arqueobacterias, ha demostrado que en determinados ambientes ha habido episodios de transferencia horizontal entre ambos tipos de procariotas y pueden compartir porcentajes significativos de genes. También se han encontrado genes bacterianos, además de secuencias víricas y secuencias de inserción en el recién publicado borrador del genoma humano cuya función se desconoce; algunos científicos creen que algunas de esas secuencias de inserción, las denominadas alu pueden ser una fuente esencial de variabilidad evolutiva. La secuenciación completa del genoma de muchos organismos está permitiendo dilucidar cómo se relacionan evolutivamente grupos específicos de organismos; así Radhey S. Gupta ha sugerido recientemente, basándose en secuencias específicas de ADN que él denomina "firmas de ADN", que todos los procariotas (bacterias y arqueobacterias) podrían descender de un antepasado común que serían bacterias gram-positivas, por lo que los procariotas estarían relacionados unos con otros linealmente y la idea de los tres dominios (Bacteria, Arquea y Eucaria) inspirada por los resultados de Carl Woese, obtenidos en los años setenta, de secuenciación de ARNr 16S puede no ser del todo real. Asimismo, el mismo tipo de metodología ha llevado a Gupta a proponer que la célula eucariótica ancestral fue una quimera formada por la fusión e integración de los genomas de una arqueobacteria y una bacteria y que esta fusión primaria fue un suceso único en la evolución de la vida en la tierra.
Los resultados de Gupta apoyarían la Teoría Endosimbiótica de la evolución postulada por Mereschkowsky y posteriormente por Lyn Margulis, que también atribuye el origen de las mitocondrias y cloroplastos a bacterias que establecieron una simbiosis con el eucariota ancestral; en la actualidad, los estudios comparados de los genomas de los orgánulos y genomas bacterianos han proporcionado pruebas convincentes sobre el origen simbiótico de mitocondrias y cloroplastos. Frente a la Teoría Darwinista de la evolución que postula que la evolución sucede de forma gradual y continua gracias a la presión que la selección natural ejerce sobre pequeñas variaciones genéticas, se encuentra la Teoría Endosimbiótica que habla de cooperación entre especies, de relaciones simbióticas que se heredan como motor de la evolución; en particular, la endosimbiosis explicaría innovaciones macroevolutivas como la génesis de la célula eucariótica o el origen de las plantas.
Por tanto, en los comienzos del siglo XXI, la Biología entra en uno de sus momentos más emocionantes. En estos momentos se dispone de un gran bagaje de conocimientos y de una sofisticada metodología, continuamente renovada, y es estimulante saber que, si bien nos encontramos ante un futuro lleno de incógnitas por resolver, este ofrece una perspectiva optimista, siempre que se tenga una visión crítica y "aséptica" de los conocimientos adquiridos hasta el momento.
También el campo de la Biología Aplicada ofrece un abanico enorme de posibilidades aún a medio abrir.
La secuenciación y anotación de genomas junto con todas las tecnologías que lo acompañan como la construcción de biochips puede revolucionar la medicina, con el nacimiento de la denominada medicina genómica donde se buscarán tratamientos personalizados a las enfermedades que padezcamos que puedan tener un componente genético. Será probablemente una medicina cara y al alcance de unos pocos privilegiados. Dentro de la medicina genómica, la terapia génica, que hasta el momento ha cosechado más fracasos que éxitos, también puede tomar un nuevo impulso y ser una opción terapéutica en un futuro próximo. En muchos casos, la terapia génica ha fallado por que los vectores génicos no eran los adecuados ya que los utilizados hasta ahora, generalmente basados en adenovirus, en ocasiones han resultado letales o no han cubierto su objetivo, por lo que en la actualidad se están intentando desarrollar nuevos vectores. No obstante, a pesar de los avances que la genómica puede significar en la medicina humana; todavía se precisa mucha investigación para encontrar tratamiento e incluso erradicar enfermedades infecciosas que como la malaria o el SIDA están diezmando la población de muchos países, en particular en África y Asia. El virus que causa el síndrome de inmunodeficiencia en humanos fue descubierto por el equipo de Luc Montagnier en 1983 y a partir de esta fecha, se ha avanzado espectacularmente en el conocimiento de la estructura del virus y existen tratamientos antivirales caros que pueden llevar a que la enfermedad se haga crónica; sin embargo, probablemente debido a la alta tasa de mutación del retrovirus, no se ha encontrado una vacuna eficaz. En el caso de la malaria, tampoco se ha fabricado una vacuna que sea efectiva al 100% ya que el ciclo de vida del parásito es muy complicado y no se conocen todas las claves. Por otra parte, el descubrimiento de un nuevo agente infeccioso por Stanley Prusiner en 1982, que él denominó prión, y que sorprendentemente, es de naturaleza únicamente proteica ha provocado la alarma tanto entre los científicos como en la opinión pública ya que los priones parecen ser la causa de las distintas encefalopatías espongiformes, un tipo de enfermedad neurodegenerativa mortal que afecta a muchos mamíferos, incluido el hombre. La "crisis de las vacas locas" que se inició a finales de los años ochenta en el Reino Unido ha traído consigo la desagradable sorpresa de que el prión bovino puede atravesar la barrera de las especies e infectar a los seres humanos.
Otro campo de aplicación que está en plena expansión en la actualidad y que se beneficia directamente de los avances en genética molecular y en particular de la secuenciación de genomas es la Biotecnología. Hoy en día contamos con un número considerable de organismos, tanto procariotas como eucariotas, que se pueden manipular genéticamente y en los que se puede sobre expresar genes que codifican para proteínas de interés industrial, agrícola medioambiental o terapéutico. Aunque los procariotas son en la actualidad probablemente los organismos más utilizados en biotecnología; otros organismos como plantas y animales representan una alternativa interesante y ya se han desarrollado numerosos organismos eucariotas transgénicos con aplicación biotecnológica directa. La utilización de plantas transgénicas resistentes a herbicidas, otros pesticidas y plagas o con propiedades que faciliten su crecimiento en suelos o medios ambientes poco adecuados o que aceleren su floración y producción de frutos podría dar lugar a una nueva revolución verde. Las plantas también se pueden utilizar para la producción de vacunas comestibles que abaratarían en gran medida el coste de dichas vacunas. Se han desarrollado plantas transgénicas que producen proteínas con aplicación biomédica como globulinas humanas y anticuerpos. También se están haciendo esfuerzos importantes para utilizar las plantas como fábricas celulares de biopolímeros (plásticos biodegradables) y de ácidos grasos de interés industrial. Las plantas también tienen un papel importante en la descontaminación in situ de sitios contaminados por metales pesados; las técnicas de fitorremediación en las que se utilizan plantas hiperacumuladoras de metales tanto transgénicas como no modificadas y dentro de las plantas transgénicas, aquellas que expresan la mercurio reductasa bacteriana capaces de volatilizar el mercurio son ya una alternativa clara a los tratamientos de descontaminación físico-químicos. En el caso de contaminación por compuestos orgánicos como bifenilos policlorados o compuestos aromáticos policíclicos, las técnicas de rizorremediación, en las que bacterias transgénicas capaces de degradar los xenobióticos colonizan la rizosfera de plantas adecuadas, también se configuran como una tecnología prometedora para el tratamiento de vertidos in situ.
Los animales transgénicos también son una realidad y aunque la mayoría se usa como modelo para estudiar distintas enfermedades humanas, en el Instituto Roslin de Edimburgo se están creando animales transgénicos capaces de producir proteínas de interés terapéutico en la leche. El nacimiento en 1995 de la oveja clónica Dolly, obtenida a partir de una célula mamaria de una oveja adulta, desató la polémica sobre la posible aplicación futura de la técnica, que se reveló imperfecta, desarrollada por Ian Wilmut y colaboradores en el Instituto Roslin de Edimburgo; en particular, la clonación de seres humanos. No obstante, se está intentado la clonación reproductiva para intentar salvar especies en peligro de extinción y "resucitar" especies que se han extinguido recientemente. Existe un tipo de clonación, denominada clonación terapéutica, ya permitida en España, en la que se crean embriones a partir de células de adulto pero sólo como fuente de células madre o células totipotentes con un beneficio potencial en la regeneración y reparación de órganos y tejidos o la curación de enfermedades degenerativas y que podrían evitar el problema de rechazo que surge con las técnicas de transplante actuales. No obstante, recientes estudios han demostrado que se puede obtener células madre adultas de tejidos diferenciados como la médula ósea en humanos que también son susceptibles de diferenciarse en laboratorio en muchos tipos de tejidos y que por lo tanto, haría innecesaria la clonación de embriones o la utilización de embriones desechados de las técnicas de fecundación in vitro.
A pesar de las "formidables" perspectivas de la Biotecnología, y, sin entrar en consideraciones éticas, sino meramente científicas, deberíamos tener un cuidado exquisito y diseñar controles adecuados, que implican entre otras cosas un seguimiento de varias generaciones para poder asegurar que no hay riesgos de alteraciones biológicas propias o vecinas, antes de lanzar tanto transgénico a la naturaleza, de clonar tantas células o tantos organismos, de lo contrario, los daños ecológicos y de la salud podrían ser irreparables.
La Astrobiología o Exobiología, que pretende la búsqueda de vida extraterrestre, aunque es un área en la actualidad prácticamente inexistente e incluso exótica, es un tipo de estudio necesario y que, caso de demostrarse la existencia de vida fuera de nuestro planeta, puede cambiar nuestra percepción actual del universo o por lo menos provocaría que la Biología dejara de ser considerada una ciencia menor porque se ocupa del estudio de un fenómeno local: la vida en el planeta Tierra. Los datos de distintas misiones espaciales no tripuladas en nuestro sistema solar así como los estudios de meteoritos que han impactado en nuestro planeta nos hacen tener ciertas esperanzas de que la vida pueda no haber sido un suceso único y circunscrito a nuestro planeta. El planeta Marte se configura como el más prometedor candidato a albergar o haber albergado algún tipo de vida, probablemente de naturaleza muy elemental (tipo procariota). Algunos científicos claman haber encontrado restos de actividad biológica en meteoritos provenientes de Marte pero existe mucha polémica al respecto. En la actualidad como la vida, tal como la conocemos en la tierra, se basa en el agua líquida, se están planteando misiones a Marte con el objetivo de encontrar agua o al menos, indicios de la existencia de agua en tiempos remotos. Otro candidato a albergar vida es Europa, una de las lunas de Júpiter, ya que podría haber agua líquida debajo de la capa de hielo que lo recubre.
La búsqueda de vida extraterrestre está llevando a estudiar ecosistemas en la Tierra en los que podrían darse condiciones ambientales similares a las que podrían sustentar vida en otros planetas, como por ejemplo los valles secos de la Antártida o incluso el ambiente acidófilo de Río Tinto. Este tipo de estudios también pueden cambiar nuestras ideas sobre el origen de la vida en la Tierra; así, en la actualidad hay investigadores como Karsten Pedersen de la Universidad de Göteborg (Suecia) que piensan que la vida no se originó en la superficie del planeta como resultado de la sopa prebiótica sino que surgió en las profundidades, bajo la corteza terrestre y que probablemente fue un primitivo quimiolitotrofo el primer ser vivo. Por ello, se ha sugerido que la búsqueda de vida en Marte debe hacerse tanto en la superficie como en la profundidad, bajo la corteza del planeta. Otra hipótesis, relacionada con la panspermia indica que la vida pudo originarse en hielo amorfo (no cristalino) como el que se encuentra en el espacio interestelar.
Lo que se ha dado en denominar "Ciencias del conocimiento" un conjunto sinérgico de filosofía, psicología, neurobiología e inteligencia artificial tratará de resolver uno de los objetivos más ambiciosos de la historia de la biología y de la historia del conocimiento en general: comprender como funciona el cerebro humano. Quizás, aquí, como en ningún otro caso, sea más fácil explicar cual es él autentico reto en el momento actual y en nuestro futuro más próximo, y que no es otro que el siguiente: dada la complejidad de los problemas existentes debemos asumir la necesidad del equipo multidisciplinar. Así, la creación de un lenguaje común para todos aquellos que estén implicados en la solución de un problema será el primer reto a superar y donde la figura del generalista con una formación interdisciplinar adecuada facilitará mucho el trabajo. En el caso enunciado, de poco servirá por ejemplo el conocimiento a fondo de los programas informáticos llamados redes neuronales sino tenemos claro, que las denominadas neuronas informáticas no son sino una caricatura de una neurona real.
Muy probablemente, el campo que mayor éxito relativo experimentará con este enfoque, de una visión interdisciplinar para la solución de los problemas, será la Ecología. Al generalizarse la utilización de metodologías de otras disciplinas se permitirá un entendimiento más completo del funcionamiento del ecosistema. Por otro lado, el momento actual, en que el medio ambiente está especialmente amenazado, requiere una investigación que permita salvaguardar los ecosistemas, haciendo los modelos de explotación más racionales y menos destructivos. La aplicación de tecnologías de biología molecular a la ecología está permitiendo un conocimiento más exhaustivo de los ecosistemas (especialmente en cuanto a poblaciones microbianas no cultivables) y el impacto que cualquier variación ejerce sobre estos ecosistemas.
Los estudios sobre las circunstancias que determinan el cambio climático y sus consecuencias, constituye, en gran medida, el hito de los estudios medioambientales, sólo comparable al proyecto genoma de los biólogos y genéticos moleculares. La toma de decisiones que vengan determinadas por los conocimientos de uno y otro, constituyen todo un reto tanto para el saber como para el futuro de nuestra especie, pues nos obliga a una visión integradora alejada de los tradicionales enfoques reduccionistas, que tan útiles son para el progreso puntual de la Ciencia, pero que en estos momentos de obligada concepción holística, resultan insuficientes.
Cabe finalizar este apartado resaltando una faceta importante derivada del desarrollo de la Biología, su influencia sobre el pensamiento humano actual. Así, la Biología se erige como una de las ciencias más adecuadas en la explicación y resolución de la problemática ideológica del hombre en torno a su propia existencia y a la de la vida que le rodea, tema de enorme complejidad y del que hay que reconocer que se sabe poco. Se trata de un campo de fuerte polémica, donde la investigación es sobre todo documental y donde convergen Paleontología, Astrofísica y Filosofía en torno a preguntas clave como el origen de la vida, del hombre o la cuestión del azar en la evolución. La Biología Molecular y la Genética, con su estudio físicoquímico de los mecanismos hereditarios y de las potencialidades hereditarias en la búsqueda de los secretos de la vida, es causa de una verdadera revolución científica que ha cambiado la imagen del hombre y de la naturaleza, basando la vida en conceptos de código y de información genética. Por supuesto, la secuenciación del genoma humano trae consigo una serie de consideraciones éticas, de modo que no se discrimine a las personas que tengan defectos genéticos que las hagan propicias a sufrir determinada enfermedad y por otra parte, cada vez existen críticas más fuertes a la patentabilidad del genoma humano, que es patrimonio de todos y a la posibilidad de que el conocimiento del genoma permita manipulaciones del mismo que atenten contra la integridad del ser humano, además de los problemas ya suscitados por temas como la fecundación in vitro, la utilización de embriones para fines terapéuticos, la clonación humana o el conocimiento a la predisposición genética de padecer cualquier tipo de enfermedad. Así, moralistas, filósofos o sociólogos se interrogan acerca de las transformaciones de la humanidad que esta moderna tecnología permite entrever.
Otro tema de actualidad es el referente al determinismo científico y la libertad humana. El problema está en delimitar hasta qué punto la conducta humana está determinada por leyes biológicas: si su naturaleza está determinada por unos mecanismos genéticos bajo el control de distintos genes, resultado de la evolución de las conductas animales, o su explicación queda totalmente o en parte fuera del campo de la Biología. Mas aún, después de poder conocer con antelación gracias al genoma de cada individuo, antes de su desarrollo, sus predisposiciones no solamente físicas sino psicológicas.
Pero quizás el campo de la Biología de mayor trascendencia social y de pensamiento es el de la Ecología. La consideración del hombre como parte de los ecosistemas estableciendo relaciones de interdependencia y ejerciendo una acción capaz de modificar los equilibrios naturales, la consideración de que las agresiones a la naturaleza pueden desbordar la capacidad de autorregulación de los ecosistemas amenazando con consecuencias imprevisibles a todos sus integrantes, y la conciencia de la realidad de destrucción y saqueo de la naturaleza y degradación de la biosfera por parte de la civilización industrial han dado lugar a la denominada crisis ecológica, una nueva visión del hombre respecto a sus propias acciones sobre la naturaleza. Desde esta nueva perspectiva, aumentada después de observar desde el espacio la limitación del planeta Tierra, surge una conciencia sobre la necesidad de una explotación racional de los recursos naturales, a la vez que una inquietud por la conservación del medio ambiente y la protección de los seres vivos, cuya diversidad constituye el principal patrimonio de la Humanidad.
Por lo tanto, y como consecuencia de este mayor y mejor conocimiento, sería deseable que en las próximas décadas se generase una nueva forma de pensar, y de actuar, que contemplará al hombre inmerso en su medio y no como dueño y señor de su ambiente. Ello implicaría una nueva filosofía de vida basada en el respeto tanto a su propia especie como al resto de las especies, y que le autolimitaría en sus interferencias sobre el medio ambiente ya que va en ello la viabilidad de nuestro futuro. En este sentido, la visión integradora que nos proporciona el saber ecológico se configura como una nueva ética que nos permitirá comprender mejor que nunca cual es nuestro auténtico papel en el mundo en que vivimos, sólo depende de nosotros que asumamos, o no, con un comportamiento adecuado, está misión.
Los distintos frentes de ampliación del conocimiento y aplicación de éste que se encuentran abiertos en la Biología actual auguran un auge desconocido hasta el momento para esta ciencia y hacen muy posible que el siglo XXI sea considerado el siglo de la Biología.
Autor:
Foxy
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