“En el mundo microscópico de las bacterias, nuestras intuiciones sobre el movimiento fallan por completo: es como si viviéramos en universos diferentes.”
—— Adaptado de Howard C. Berg, Life at Low Reynolds Number, 1977
El Contexto Histórico
Howard C. Berg fue un biólogo físico cuyas contribuciones revolucionaron nuestra comprensión de cómo los microorganismos se desplazan en medios viscosos. Nacido en Iowa en 1934, Berg se formó en ingeniería y física antes de dedicarse a problemas biológicos fundamentales, combinando de manera magistral diferentes disciplinas científicas en su trabajo.
Berg fue pionero en el estudio de la locomoción bacteriana y sus contribuciones han tenido un gran impacto en el campo de la microbiología y la física de sistemas biológicos. Uno de sus artículos más influyentes, “Random Walks in Biology”, publicado en 1993, presentó una visión fascinante de cómo los movimientos aleatorios de las bacterias pueden tener importantes implicaciones en fenómenos biológicos como la búsqueda de alimento, la colonización de superficies y la formación de patrones.
En un entorno donde los científicos tendían a especializarse en campos estrictamente delimitados, Berg destacó por su enfoque interdisciplinario, combinando principios de física, biología y matemáticas para abordar preguntas fundamentales sobre el comportamiento bacteriano.
La Ciencia del Número de Reynolds Bajo
Número de Reynolds
El número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional que describe la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en un fluido:
donde ρ es la densidad, v es la velocidad, L es la longitud característica y μ es la viscosidad dinámica del fluido.
Para una bacteria, el número de Reynolds es extremadamente bajo (10⁻⁵), lo que significa que las fuerzas viscosas dominan completamente sobre las inerciales. En este régimen, la física del movimiento es radicalmente diferente a nuestra experiencia cotidiana.
La Quimiotaxis Bacteriana
Movimiento dirigido en un mundo aleatorio
Berg es conocido especialmente por su investigación sobre la quimiotaxis bacteriana, el proceso mediante el cual las bacterias detectan y responden a gradientes de sustancias químicas en su entorno. Sus estudios sobre la natación de bacterias en medios viscosos y su capacidad para seguir gradientes de nutrientes han contribuido significativamente a nuestra comprensión de cómo los microorganismos navegan y se adaptan a su entorno.
Berg desarrolló técnicas experimentales innovadoras para estudiar este fenómeno, incluyendo un ingenioso dispositivo de seguimiento tridimensional que permitía observar el movimiento de bacterias individuales durante periodos prolongados. Este trabajo reveló que la bacteria Escherichia coli alterna entre “carreras” en línea recta y “tumbos” aleatorios, permitiéndole explorar su entorno y moverse hacia condiciones más favorables.
Esta estrategia, que Berg caracterizó matemáticamente, es sorprendentemente efectiva y ha sido adaptada en algoritmos computacionales para la búsqueda de soluciones en espacios complejos.
Caminatas Aleatorias en Biología
En su obra seminal “Random Walks in Biology”, Berg explica cómo los procesos estocásticos —eventos que ocurren con cierta probabilidad pero sin determinismo estricto— son fundamentales en la biología. Los movimientos brownianos que afectan a las moléculas y a las células no son meros obstáculos, sino que a menudo cumplen funciones esenciales.
La difusión, por ejemplo, es crucial para el transporte de nutrientes y la señalización celular. Berg demostró que incluso procesos aparentemente dirigidos, como la quimiotaxis, están fundamentados en eventos aleatorios que, en conjunto, producen un comportamiento orientado. Este trabajo transformó nuestra comprensión de la dinámica celular y molecular.
Berg enfrentó desafíos únicos en su carrera, incluida la necesidad de desarrollar nuevas técnicas experimentales para estudiar la locomoción bacteriana en condiciones extremadamente pequeñas y viscosas. Sus innovaciones metodológicas y conceptuales abrieron nuevos campos de investigación en la interfaz entre la física y la biología.
El Legado de Berg
Howard Berg falleció en diciembre de 2021, pero su legado perdura en el campo de la biología de sistemas y la biología cuantitativa. Sus contribuciones no se limitaron a descubrimientos específicos, sino que transformaron fundamentalmente cómo entendemos la vida a escala microscópica.
El trabajo de Berg ha inspirado a generaciones de científicos a explorar la intersección entre la física y la biología. Sus ideas han influido en campos tan diversos como la microbiología, la biofísica, la ecología microbiana, y más recientemente, la robótica y la inteligencia artificial.
En la actualidad, investigadores de todo el mundo continúan expandiendo las fronteras abiertas por Berg. El estudio de la natación bacteriana ha evolucionado para incluir investigaciones sobre biofilms, comportamiento colectivo bacteriano, y diseño de micronadadores artificiales. En cada uno de estos campos, la influencia de Howard Berg es innegable.
Su enfoque interdisciplinario sigue siendo un modelo para la ciencia moderna, demostrando el poder de conectar diferentes campos del conocimiento para abordar problemas fundamentales. Como Berg mismo señaló alguna vez, “los problemas más interesantes suelen encontrarse en las fronteras entre disciplinas”, una filosofía que definió su carrera y continúa inspirando la ciencia contemporánea.
Referencias
- Berg, H. C. (1993). Random Walks in Biology. Princeton University Press.
- Berg, H. C. (1977). Physics of bacterial chemotaxis. In R. Balian, M. Kleman, & J.-P. Poirier (Eds.), Physics of Biological Systems (pp. 19-31). North-Holland.
- Berg, H. C. (2004). E. coli in Motion. Springer-Verlag.
- Purcell, E. M. (1977). Life at low Reynolds number. American Journal of Physics, 45(1), 3-11.
- Lauga, E., & Powers, T. R. (2009). The hydrodynamics of swimming microorganisms. Reports on Progress in Physics, 72(9), 096601.
- Alon, U., Camarena, L., Surette, M. G., Aguera y Arcas, B., Liu, Y., Leibler, S., & Stock, J. B. (1998). Response regulator output in bacterial chemotaxis. The EMBO Journal, 17(15), 4238-4248.
- Turner, L., Ryu, W. S., & Berg, H. C. (2000). Real-time imaging of fluorescent flagellar filaments. Journal of Bacteriology, 182(10), 2793-2801.
Este podcast fue apoyado en parte por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), Chile (ANILLO ATE220022; ALMA 31220004; FONDECYT 1211848) y Proyecto DGVM 3054 (PUCV).