¿Cuál es la causa de la ósmosis? Normalmente, con mis alumnos de 14–16 años (cursos GCSE), no profundizo en el mecanismo. Lo que más importa en esta etapa es el patrón. Cómo una caja negra, los alumnos sólo tienen que poder predecir lo que pasará en determinadas situaciones, sin saber lo que pasa dentro de la caja. Pero a medida que los alumnos pasan a mi curso de IB biología (Bachillerato Internacional 16–18 años) y la explicación se centra más en los detalles moleculares, el mecanismo adquiere más importancia.
Junto con la explicación estadística (es decir, el potencial hídrico), ¿qué deberíamos enseñar como causa mecánica?
¿Es la dilución del agua? ¿Es el número de partículas de agua libres? En 2013, Kramer y Myers publicaron un artículo en Trends in Plant Science sugiriendo que no es ninguna de las dos cosas. No solo eso, sino que estas explicaciones alternativas se han repetido sistemáticamente en los libros de texto y los aulas de biología durante décadas a pesar de que el verdadero mecanismo de la ósmosis se conoce desde hace tiempo.
¿Y si la dilución del agua o el número de partículas de agua libres son modelos más simples que permiten una explicación sin causar confusión con demasiados detalles?
Pues, en mi opinión, no lo son. No son modelos más simples de otros más complejos. Son modelos alternativos. Tampoco son más simples, sino más confusos. El modelo que explican Kramer y Myers es mejor tanto en términos de concordancia (con la realidad) como de alcance (hasta dónde puede llevar el modelo a los alumnos antes de toparse con problemas).
El problema radica en la forma en que los alumnos suelen aprender el paso de moléculas a través de una membrana.
Las moléculas hidrófobas pueden atravesarla, mientras que las hidrófilas no. Pero, ¿y el agua? También son hidrófilas, al ser polares. A menudo se explica que las moléculas de agua pueden atravesar la membrana debido a su pequeño tamaño, aunque a un ritmo lento.
¿Qué ocurre entonces con otras moléculas hidrófilas pequeñas? Los iones (como el Na+) son omnipresentes en los organismos vivos. Son más pequeños que las moléculas de agua. Pero no pueden pasar sin ayuda. Podríamos añadir otra advertencia para salvar la excepción; las moléculas de agua se encuentran en cantidades tan grandes que aumentan las probabilidades de que unas pocas se cuelen.
Pero esto no concuerda con la observación. Los ataques graves de diarrea (pensemos en el cólera) pueden aparecer muy rápidamente y dependen de la ósmosis. A menudo se cuenta la historia de poner sal a las babosas como ejemplo de ósmosis, pero en tales situaciones es visible que la ósmosis se produce rápidamente.
Cuando los zarcillos de las plantas trepadoras se mueven en espiral (circunnavegan) en busca de algo que agarrar, lo hacen bombeando iones alrededor de sus células, controlando el movimiento del agua y, por tanto, qué células se plasmolizan y turgen. Y puede ocurrir rápidamente.
Al observar cómo los paramecios excretan agua con sus vacuolas contráctiles, éstas también parecen llenarse con bastante rapidez. Todo esto es difícil de explicar con un modelo que sugiere que el agua se difunde lentamente a través de las membranas.
El modelo de las moléculas de "agua libre" también es problemático.
En este modelo, la explicación se basa en el número de moléculas de agua que están libres para difundirse. Cuando la concentración de solutos es mayor, más moléculas de agua se unen a solutos que no pueden atravesar la membrana, lo que las deja «fuera de juego». Entonces, las moléculas de agua libres difunden para alcanzar el equilibrio a través de la membrana.
Con este modelo podríamos predecir que ciertos solutos tendrían un efecto osmótico mayor que otros. Los que pueden unir más moléculas de agua deberían provocar una diferencia mayor que los que unen menos. Por ejemplo, la ribosa debería tener un efecto osmótico mayor que la desoxirribosa (con un grupo hidroxilo menos). Pero eso no es lo que observamos.
La ósmosis es coligativa. Lo que importa no es el soluto, sino su concentración. Como la biología se vuelve más molecular en los cursos con alumnos de 16–18 años, estas cosas importan. Queremos que nuestros alumnos tengan modelos mentales que permitan la predicción. ¿Se puede comprender si no se puede predecir?
Enseñar la ósmosis con las acuaporinas
Normalmente se dice que la ósmosis se produce cuando hay una membrana, agua y una diferencia de concentración de soluto sobre la membrana. Sin embargo, en el modelo del artículo de Kramer y Myers, la ósmosis también depende de la presencia de acuaporinas.
Esto es inmediatamente explicativo, ya que significa que la ósmosis sólo se produce en sistemas vivos. No se produce en sistemas artificiales, como los tubos de diálisis, que filtran por tamaño.
El mecanismo se reduce a que las acuaporinas repelen los solutos que se les aproximan mediante interacciones electrostáticas. Esta repulsión los aleja de la membrana y los empuja hacia las moléculas de agua que hay detrás. Cuantos más solutos haya, mayor será el efecto de esta repulsión. Esto explica la propiedad coligativa de la ósmosis. Y explica por qué la diferencia de concentración sobre la membrana es la que marca la diferencia.
El alejamiento general de la membrana favorece el movimiento del agua a través de las acuaporinas hacia la mayor concentración de soluto.
Ahora el riñón tiene mucho más sentido. Mientras que los libros de texto se refieren a que las membranas de la nefrona son «permeables» o no al agua, podemos decir simplemente dónde se encuentran las acuaporinas.
En lugar de tener excepciones para el agua, en comparación con otras moléculas hidrófilas, podemos explicar el movimiento del agua debido a la presencia de acuaporinas. Esto es mucho más parsimonioso, ya que conecta perfectamente con la idea de la hidrofobicidad de las membranas, y la necesidad de canales proteicos.
En lugar de que la ósmosis sea rápida en el macronivel visible, pero se explique como lenta en el micronivel, ahora ambas pueden explicarse de forma coherente. Las acuaporinas, como canales proteicos, facilitan la difusión del agua a través de las membranas, permitiendo que el movimiento sea rápido a nivel micro.
Con este modelo, los estudiantes ya no diseñarán experimentos de ósmosis con tubos de diálisis con resultados extraños. Ya no tendrán que aceptar incómodamente que el agua sigue reglas diferentes a las de otras pequeñas moléculas hidrófobas. Ya no trabajarán con «moléculas libres» ni con la idea de que para predecir es necesario conocer la configuración del soluto.
En definitiva, al incluir las acuaporinas en nuestro mecanismo explicativo obtenemos algo más sencillo de entender y con mejor poder predictivo.
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Christian Moore-Anderson
References
Kramer, E., and Myers, D. 2013. "Osmosis is not driven by water dilution." Trends in Plant Science 18(4) 195-197.