Por el Dr. Elio M Rivera
Durante siglos, los seres humanos hemos observado aves, plantas, peces, insectos y otros organismos intentando comprender cómo funcionan. En muchas ocasiones, esas observaciones han proporcionado ideas para resolver problemas de ingeniería, arquitectura, medicina y tecnología. A esta manera de buscar inspiración en los sistemas naturales se le conoce como biomimética.
La biomimética no consiste simplemente en copiar la apariencia de un animal o una planta. Su propósito es estudiar cómo funciona una estructura o un mecanismo biológico y utilizar ese principio como inspiración para desarrollar una solución tecnológica.
Desde superficies que se limpian con el agua hasta adhesivos inspirados en las patas del gecko, la naturaleza se ha convertido en una extraordinaria fuente de preguntas para científicos e ingenieros. Observar cómo funciona un organismo puede proporcionar ideas para construir algo completamente nuevo.
¿Qué significa biomimética?
El término está relacionado con la idea de imitar la vida.
Los investigadores estudian una característica natural, descubren los principios físicos o químicos que permiten su funcionamiento y posteriormente intentan reproducir algunos de esos principios mediante materiales o dispositivos artificiales.
No se copia necesariamente al organismo completo.
Se estudia una solución específica.
El velcro y las semillas que se adhieren
Uno de los ejemplos clásicos ocurrió cuando el ingeniero suizo George de Mestral observó pequeños frutos de bardana adheridos a su ropa y al pelo de su perro.
Al examinarlos con aumento descubrió numerosos pequeños ganchos.
Esto contribuyó al desarrollo del sistema de cierre que posteriormente conoceríamos como Velcro.
Una pequeña estructura vegetal terminó inspirando un producto utilizado en todo el mundo.
El gecko — adherirse sin pegamento
Los geckos pueden caminar sobre paredes e incluso desplazarse por superficies invertidas.
Sus dedos poseen millones de estructuras microscópicas que se ramifican en elementos todavía menores.
Estas estructuras permiten un contacto extremadamente cercano con la superficie, donde intervienen fuerzas intermoleculares conocidas como fuerzas de van der Waals.
Los investigadores han estudiado este mecanismo para desarrollar adhesivos secos capaces de funcionar sin los pegamentos tradicionales.
Una pata puede inspirar nuevos materiales
El gecko puede adherirse.
Después despegarse.
Volver a adherirse.
Y repetir el proceso miles de veces.
Por eso sus patas han llamado la atención de científicos interesados en robótica, adhesivos reutilizables y materiales especializados.
Una lagartija puede plantear preguntas relevantes para la ingeniería.
La hoja de loto — mantenerse limpia
Las hojas del loto poseen una superficie microscópicamente rugosa y recubierta de sustancias que repelen el agua.
Las gotas tienden a formar pequeñas esferas que ruedan sobre la hoja.
Mientras se desplazan pueden arrastrar partículas de suciedad.
Este fenómeno se conoce como efecto loto.
Superficies que se limpian solas
El estudio del efecto loto ha inspirado pinturas, recubrimientos, vidrios y otros materiales diseñados para repeler agua y reducir acumulaciones de suciedad.
Una hoja no necesita detergente.
Su propia estructura superficial contribuye a mantenerla limpia.
El secreto solamente se descubre cuando observamos la superficie a escala microscópica.
La piel del tiburón
La piel de los tiburones no es completamente lisa.
Está cubierta por pequeñas estructuras llamadas dentículos dérmicos.
Su geometría modifica la interacción entre el cuerpo y el agua.
Estas superficies han inspirado investigaciones relacionadas con reducción de resistencia al flujo, materiales especializados y superficies que dificultan la adherencia de determinados organismos.
El martín pescador y los trenes rápidos
Un ejemplo famoso de biomimética procede de Japón.
Los trenes de alta velocidad producían problemas de ruido y presión cuando salían de túneles.
El ingeniero Eiji Nakatsu, aficionado a observar aves, encontró inspiración en el pico del martín pescador, que puede entrar rápidamente en el agua con relativamente poca perturbación.
El diseño del frente de ciertos trenes fue modificado utilizando principios inspirados en esta forma.
Un ave pescadora terminó proporcionando inspiración para un tren.
El escarabajo del desierto y la captación de agua
En regiones extremadamente secas, algunos escarabajos del desierto de Namib pueden aprovechar la humedad transportada por la niebla.
El estudio de superficies y comportamientos relacionados con la captación de pequeñas gotas ha inspirado investigaciones para desarrollar materiales capaces de recolectar agua atmosférica.
Donde cada gota cuenta, una pequeña criatura puede enseñar principios importantes sobre cómo capturarla.
Las termitas y la ventilación
Algunos termiteros poseen complejos sistemas de túneles y cámaras relacionados con el intercambio de gases y regulación de condiciones internas.
Arquitectos e ingenieros han estudiado estos sistemas buscando ideas para mejorar la ventilación pasiva de edificios.
En lugar de depender exclusivamente de sistemas mecánicos, un edificio puede aprovechar movimientos naturales del aire.
Las ballenas y sus aletas
Las ballenas jorobadas poseen protuberancias características en el borde anterior de sus grandes aletas pectorales.
Investigadores han estudiado cómo estas estructuras modifican el movimiento del agua alrededor de la aleta.
El principio ha inspirado experimentos con hélices, turbinas y otros dispositivos que trabajan con fluidos.
Las aves y el vuelo
Mucho antes de los aviones modernos, las aves despertaron el interés de inventores que soñaban con volar.
Actualmente los ingenieros continúan estudiando alas, plumas y movimientos de diferentes animales.
Sin embargo, un avión no es simplemente una copia de un ave.
La ingeniería identifica principios aerodinámicos y los utiliza de acuerdo con materiales y necesidades completamente diferentes.
Los huesos también inspiran estructuras
El interior de muchos huesos combina regiones compactas con estructuras trabeculares.
Esto permite obtener resistencia sin convertir todo el hueso en una masa sólida extremadamente pesada.
Ingenieros y diseñadores estudian este tipo de organización para desarrollar estructuras resistentes utilizando menos material.
La eficiencia puede depender tanto de dónde colocar el material como de cuánto utilizar.
Los robots también observan animales
Robots inspirados en serpientes pueden desplazarse por lugares estrechos.
Otros imitan parcialmente movimientos de peces.
Pequeños robots estudian principios utilizados por insectos.
Vehículos submarinos pueden inspirarse en organismos marinos.
La robótica encuentra en los seres vivos una enorme biblioteca de formas de movimiento.
Biomimética no significa copiar perfectamente
Este punto es importante.
Un ingeniero puede estudiar un organismo y utilizar solamente un principio.
El tren no necesita convertirse en martín pescador.
El adhesivo no necesita convertirse en gecko.
Un edificio no necesita parecer termitero.
Lo importante es comprender qué mecanismo resuelve el problema.
Primero observar, después comprender
La biomimética comienza con una pregunta.
¿Cómo se adhiere el gecko?
¿Cómo permanece limpia una hoja?
¿Cómo captura agua un organismo del desierto?
¿Cómo controla el vuelo un ave?
¿Cómo mantiene resistencia un hueso sin ser completamente sólido?
Después llega una segunda pregunta:
¿Podemos utilizar ese principio para resolver un problema humano?
La naturaleza como laboratorio
Una hoja puede enseñarnos sobre superficies.
Un insecto sobre química.
Un ave sobre aerodinámica.
Un hueso sobre estructuras.
Un pez sobre movimiento de fluidos.
Un gecko sobre adhesión.
Cada organismo puede contener mecanismos dignos de investigación.
La Biblia invita a observar la creación
El libro de Job declara:
“Y en efecto, pregunta ahora a las bestias, y ellas te enseñarán; a las aves de los cielos, y ellas te lo mostrarán.”
(Job 12:7)
Aunque el pasaje no habla de ingeniería, la imagen resulta apropiada: observar cuidadosamente a las criaturas puede enseñarnos.
Aprender de las criaturas pequeñas
Proverbios también dirige nuestra atención hacia organismos aparentemente insignificantes:
“Cuatro cosas son de las más pequeñas de la tierra, y las mismas son más sabias que los sabios.”
(Proverbios 30:24)
Hormigas y otras pequeñas criaturas son presentadas como ejemplos dignos de observación.
La biomimética demuestra que incluso un insecto diminuto puede proporcionar preguntas relevantes para científicos e ingenieros.
Cuando la naturaleza inspira nuestras tecnologías
La Biblia no pretende explicar nanotecnología, aerodinámica, ingeniería de materiales o robótica mediante lenguaje científico. Estas disciplinas utilizan investigación experimental para comprender los mecanismos naturales y desarrollar nuevas tecnologías.
Sin embargo, la biomimética nos permite contemplar algo extraordinario: muchas soluciones que los ingenieros intentan desarrollar encuentran inspiración en mecanismos que ya observamos funcionando en los seres vivos.
Desde la perspectiva bíblica, esto aumenta nuestra admiración. La biomimética nos recuerda que estudiar la creación no solamente nos permite conocerla mejor; algunas veces también nos enseña nuevas maneras de construir, diseñar y resolver problemas.
Referencias
Escrituras consultadas
- Job 12:7-10.
- Salmo 104:24.
- Proverbios 6:6-8.
- Proverbios 30:24-28.
- Romanos 1:20.
Bibliografía científica
- Benyus, J. M. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. HarperCollins.
- Bhushan, B. Biomimetics: Bioinspired Hierarchical-Structured Surfaces for Green Science and Technology. Springer.
- Autumn, K. et al. Investigaciones sobre los mecanismos de adhesión de los geckos.
- Barthlott, W. & Neinhuis, C. Investigaciones sobre la superficie de las hojas de loto y el denominado efecto loto.
- Fish, F. E. & Battle, J. M. Estudios sobre las protuberancias de las aletas de la ballena jorobada y dinámica de fluidos.
Temas científicos consultados
- Biomimética.
- Adhesión del gecko.
- Efecto loto.
- Dentículos dérmicos de tiburones.
- Aerodinámica y vuelo de aves.
- Captación de agua atmosférica.
- Ventilación pasiva.
- Biomecánica.
- Robótica bioinspirada.
- Materiales bioinspirados.
Organizaciones y recursos científicos
- Biomimicry Institute — biomimética y diseño inspirado en sistemas biológicos.
- Smithsonian Institution — investigaciones sobre biodiversidad y estructuras biológicas.
- NASA — investigaciones sobre materiales, robótica y diseños bioinspirados.
- National Science Foundation — investigaciones sobre ingeniería y tecnologías inspiradas en organismos vivos.
La ingeniería biológica — cuando estudiamos los sistemas de la vida
Una célula puede almacenar información, producir energía, fabricar proteínas, reparar determinadas estructuras y responder a cambios en su ambiente. Un hueso combina resistencia con relativamente poco peso. El corazón mantiene el movimiento de la sangre durante toda la vida y una planta transporta agua desde sus raíces hasta hojas situadas muchos metros arriba. Los seres vivos contienen sistemas extraordinariamente complejos que científicos e ingenieros intentan comprender y, en determinados casos, aprovechar.
A este encuentro entre biología e ingeniería podemos llamarlo ingeniería biológica. Esta disciplina utiliza conocimientos de biología, química, física, matemáticas e ingeniería para estudiar sistemas vivos y desarrollar soluciones para problemas humanos.
Puede aplicarse a medicina, agricultura, producción de alimentos, materiales, medio ambiente y procesos industriales. La ingeniería biológica comienza estudiando cómo funciona la vida y utiliza ese conocimiento para desarrollar nuevas herramientas y tecnologías.
¿Qué es la ingeniería biológica?
La ingeniería tradicional trabaja con materiales, máquinas, electricidad y estructuras.
La ingeniería biológica incorpora además células, tejidos, microorganismos, moléculas biológicas y procesos propios de los seres vivos.
Un ingeniero biológico puede estudiar desde el funcionamiento de una proteína hasta la manera de producir un tejido artificial.
El laboratorio se convierte en un lugar donde ingeniería y biología se encuentran.
No es exactamente lo mismo que biomimética
Aunque están relacionadas, existen diferencias.
La biomimética, que vimos anteriormente, observa soluciones presentes en la naturaleza para inspirar tecnologías.
La ingeniería biológica puede trabajar directamente con sistemas biológicos.
Por ejemplo, puede utilizar microorganismos para fabricar una sustancia o células para desarrollar tejidos.
Una se inspira frecuentemente en la vida; la otra puede utilizar componentes de la propia vida.
La célula como una pequeña fábrica
Dentro de una célula ocurren miles de reacciones químicas.
Enzimas transforman sustancias.
Membranas regulan lo que entra y sale.
Proteínas transportan materiales.
El ADN contiene información utilizada por la célula.
Todo esto convierte a la célula en un sistema extraordinariamente interesante para la ingeniería.
Microorganismos que fabrican medicamentos
Uno de los ejemplos más conocidos es la producción de insulina humana mediante microorganismos modificados.
Los investigadores pueden introducir instrucciones genéticas para que determinadas bacterias o levaduras produzcan proteínas humanas.
Después esas proteínas pueden ser obtenidas y purificadas mediante procesos industriales.
Una célula microscópica puede convertirse en una pequeña fábrica biológica.
El ADN almacena información
Dentro de nuestras células existe una molécula extraordinaria: el ADN.
Su secuencia contiene información utilizada en la producción de moléculas fundamentales para el funcionamiento celular.
Los investigadores han desarrollado tecnologías capaces de leer, copiar y modificar determinadas secuencias de ADN.
Esto ha abierto posibilidades extraordinarias, pero también importantes preguntas éticas.
CRISPR — modificar regiones específicas del ADN
Una de las herramientas más conocidas de edición genética es CRISPR-Cas.
Utiliza componentes moleculares capaces de reconocer determinadas secuencias genéticas y realizar cortes en posiciones específicas.
Los sistemas celulares de reparación pueden entonces producir modificaciones.
Estas herramientas se investigan para comprender enfermedades, estudiar genes y desarrollar tratamientos.
Modificar no significa comprenderlo todo
El hecho de que podamos cambiar una secuencia genética no significa que comprendamos completamente todas sus consecuencias.
Los genes interactúan entre sí y con el ambiente.
Una modificación puede producir efectos inesperados.
Por eso la investigación requiere experimentación cuidadosa, controles y evaluación de riesgos.
Construir tejidos
La ingeniería de tejidos intenta desarrollar estructuras biológicas que puedan ayudar a reparar o sustituir tejidos dañados.
Los investigadores pueden combinar células con estructuras tridimensionales conocidas como andamios.
Las células crecen sobre estos soportes.
El objetivo es crear condiciones que favorezcan la formación organizada de tejido.
Un andamio para las células
Cuando construimos un edificio utilizamos una estructura que guía la construcción.
En ingeniería de tejidos puede utilizarse un principio semejante.
Un material tridimensional proporciona espacios donde las células pueden adherirse y organizarse.
Después pueden depositar sus propios componentes alrededor.
La estructura artificial ayuda a dirigir un proceso biológico.
La impresión tridimensional también llegó a la biología
Las tecnologías de bioimpresión 3D permiten depositar células y materiales biocompatibles siguiendo patrones determinados.
Los investigadores estudian cómo producir estructuras semejantes a tejidos.
Fabricar un órgano completo funcional continúa siendo muchísimo más difícil que simplemente imprimir su forma.
Un órgano necesita vasos sanguíneos, diferentes tipos celulares, organización y conexiones funcionales.
El desafío de los vasos sanguíneos
Una pequeña capa de células puede obtener oxígeno y nutrientes por difusión.
Pero un tejido grueso necesita una red que transporte sangre.
Por eso uno de los grandes desafíos de la ingeniería de tejidos es desarrollar una vascularización adecuada.
Construir la forma externa no es suficiente.
Cada célula debe recibir aquello que necesita para permanecer viva.
Las válvulas del corazón
La ingeniería biológica también estudia estructuras cardiovasculares.
Una válvula cardíaca debe abrirse y cerrarse millones de veces.
Debe soportar presión.
Debe permitir que la sangre avance en una dirección y reducir su regreso.
Comprender estas exigencias permite desarrollar prótesis y materiales médicos cada vez mejores.
Un corazón es mucho más que una bomba
Compararlo con una bomba ayuda a comprender parte de su función.
Pero un corazón vivo es muchísimo más complejo.
Posee células musculares.
Sistema eléctrico.
Válvulas.
Vasos sanguíneos.
Mecanismos hormonales y nerviosos.
La ingeniería puede estudiar cada componente, pero también necesita comprender cómo interactúan.
Prótesis controladas por señales musculares
Algunas prótesis modernas pueden detectar señales eléctricas producidas por músculos residuales.
Sensores reciben esas señales.
Un sistema electrónico las interpreta.
Motores producen movimiento.
La actividad biológica del usuario puede convertirse en una orden para una máquina.
Aquí encontramos literalmente una conexión entre organismo e ingeniería.
Interfaces entre nervios y dispositivos
Los investigadores también estudian maneras de comunicar dispositivos electrónicos con el sistema nervioso.
Esto puede utilizarse para restaurar parcialmente funciones perdidas o controlar determinadas prótesis.
El desafío es enorme porque el sistema nervioso utiliza señales complejas y está formado por tejidos delicados.
La máquina debe aprender a interactuar con un sistema vivo.
Los microorganismos pueden ayudarnos a limpiar
Algunas bacterias y hongos pueden transformar sustancias presentes en ambientes contaminados.
La biorremediación utiliza organismos o procesos biológicos para ayudar a eliminar o reducir determinados contaminantes.
En ciertas circunstancias pueden emplearse microorganismos para degradar hidrocarburos y otras sustancias.
Un organismo microscópico puede convertirse en parte de una estrategia ambiental.
También pueden producir combustibles y materiales
Microorganismos pueden utilizarse en procesos de fermentación para producir alcoholes, ácidos orgánicos, enzimas y numerosas moléculas.
Los investigadores también estudian formas de producir bioplásticos y otros materiales mediante sistemas biológicos.
La industria puede utilizar células como pequeñas unidades de producción.
La fermentación es una antigua forma de utilizar biología
Mucho antes de comprender microorganismos, los seres humanos ya utilizaban fermentación para producir pan, queso y otros alimentos.
Actualmente conocemos mejor los organismos responsables y podemos controlar temperatura, nutrientes, oxígeno y otras condiciones.
Una práctica antigua se ha convertido también en una tecnología moderna.
Ingeniería biológica en la agricultura
Sensores pueden medir humedad del suelo.
Microorganismos pueden contribuir a la nutrición vegetal.
Sistemas biológicos pueden utilizarse para detectar determinadas enfermedades.
La ingeniería también puede mejorar procesos de riego y producción.
Agricultura y biología están cada vez más conectadas con tecnología.
Biosensores — utilizar biología para detectar sustancias
Un biosensor combina un componente biológico con un sistema capaz de producir una señal medible.
Por ejemplo, determinadas moléculas pueden reconocer una sustancia específica.
La interacción se transforma posteriormente en una señal eléctrica, óptica o química.
Los medidores de glucosa constituyen un ejemplo ampliamente conocido del uso de principios biosensores.
La glucosa convertida en una señal
En muchos sistemas, una enzima interactúa con la glucosa.
La reacción produce cambios que pueden convertirse en una señal eléctrica.
El dispositivo mide esa señal y calcula una concentración.
Una reacción química microscópica termina apareciendo como un número en una pantalla.
La ingeniería necesita comprender límites
Trabajar con organismos vivos presenta desafíos diferentes de construir una máquina.
Las células se reproducen.
Responden al ambiente.
Pueden cambiar.
Los organismos interactúan con otros organismos.
Por eso cualquier tecnología biológica necesita evaluar cuidadosamente seguridad y posibles consecuencias.
También existen preguntas éticas
No todo aquello que técnicamente puede hacerse necesariamente debe hacerse.
La edición genética humana, la modificación de organismos y determinadas aplicaciones de biotecnología plantean preguntas profundas.
¿Quién se beneficia?
¿Qué riesgos existen?
¿Puede afectar a generaciones futuras?
¿Dónde deben establecerse límites?
La capacidad tecnológica debe ir acompañada de responsabilidad.
La vida es más compleja que una máquina
Las comparaciones con fábricas, computadoras y sistemas hidráulicos pueden ayudarnos a comprender determinados aspectos.
Pero una célula no es simplemente una fábrica.
Un cerebro no es simplemente una computadora.
Un corazón no es solamente una bomba.
Los organismos vivos poseen niveles de organización e interacción extraordinariamente complejos.
Cuanto más observamos, más preguntas aparecen
¿Cómo reconoce una proteína otra molécula?
¿Cómo sabe una célula cuándo dividirse?
¿Cómo se organiza un tejido?
¿Cómo se conectan las neuronas?
¿Cómo repara el cuerpo una herida?
¿Cómo coordina un organismo millones de células?
Cada respuesta científica suele abrir nuevas preguntas.
La Biblia presenta el cuerpo humano como algo admirable
David escribió:
“Te alabaré; porque formidables, maravillosas son tus obras; estoy maravillado, y mi alma lo sabe muy bien.”
(Salmo 139:14)
David no conocía células, ADN o ingeniería de tejidos.
Pero reconocía que el cuerpo humano era digno de admiración.
La ciencia moderna nos permite observar esa complejidad a niveles que él nunca pudo contemplar.
“En tu libro estaban escritas todas aquellas cosas”
El mismo Salmo declara:
“Mi embrión vieron tus ojos, y en tu libro estaban escritas todas aquellas cosas que fueron luego formadas.”
(Salmo 139:16)
El texto es poético y teológico, no una descripción del ADN. Sin embargo, expresa la idea bíblica de orden y propósito en la formación de la vida.
Actualmente podemos observar cómo información molecular, señales químicas y procesos celulares participan en el desarrollo de un organismo.
Estudiar la vida para resolver problemas
Una bacteria puede fabricar una proteína.
Una enzima puede convertirse en parte de un sensor.
Células pueden cultivarse sobre un andamio.
Señales musculares pueden controlar una prótesis.
Microorganismos pueden transformar contaminantes.
La ingeniería biológica toma conocimientos sobre la vida y pregunta:
¿cómo podemos utilizarlos responsablemente para ayudar a resolver problemas?
Cuando estudiamos los sistemas de la vida
La Biblia no pretende explicar genética molecular, bioingeniería, ingeniería de tejidos o biosensores mediante lenguaje científico. Estas disciplinas pertenecen a la investigación moderna.
Sin embargo, la ingeniería biológica nos permite observar algo extraordinario: cuanto mejor comprendemos las células, tejidos y organismos, más posibilidades encontramos para desarrollar nuevas herramientas médicas, ambientales e industriales.
Desde la perspectiva bíblica, este conocimiento también aumenta nuestra admiración. La ingeniería biológica nos recuerda que incluso nuestras tecnologías más avanzadas pueden comenzar con algo mucho más pequeño: observar cuidadosamente una célula, una proteína o un tejido y descubrir la extraordinaria organización que existe dentro de la vida.
Referencias
Escrituras consultadas
- Génesis 1:26-28.
- Job 10:8-12.
- Salmo 104:24.
- Salmo 139:13-16.
- Proverbios 2:6.
Bibliografía científica
- Endy, D. “Foundations for Engineering Biology.” Nature.
- Langer, R. & Vacanti, J. P. “Tissue Engineering.” Science.
- Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell. Garland Science.
- Lodish, H. et al. Molecular Cell Biology. W. H. Freeman.
- Doudna, J. A. & Charpentier, E. Investigaciones fundamentales sobre sistemas CRISPR-Cas9 y edición genética.
Temas científicos consultados
- Ingeniería biológica.
- Biotecnología.
- Ingeniería de tejidos.
- Bioimpresión 3D.
- ADN y proteínas.
- CRISPR-Cas.
- Biosensores.
- Prótesis mioeléctricas.
- Biorremediación.
- Fermentación y producción biológica.
Organizaciones y recursos científicos
- National Institutes of Health — bioingeniería e investigación biomédica.
- National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering — ingeniería biomédica.
- National Science Foundation — ingeniería y biotecnología.
- National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine — ingeniería biológica y biotecnología.
¿Quieres profundizar en este tema?
Si este artículo despertó tu interés y deseas estudiar el tema con mayor profundidad, puedes encontrar un libro relacionado en nuestra Tienda Cristopedia.
Explora el museo la vida y obra de Jesucristo:
