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PARTE 1

La c ienc ia y los b loquesc ons t ruc to res de la v ida

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CAPTULO1 El e s t u d i o d e l a v i d aPor qu c roan las r anas?

En agosto de 1995, un grupo de estudiantes de unaescuela media de Minnesota, que recorran una zona dehumedales en una salida de campo, descubrieron unacantidad de ranas jvenes, la mayora de ellas conpatas deformadas, faltantes o en exceso. Este hallaz-go fue una noticia nacional y llam la atencin del pbli-co sobre la transformacin de la poblacin anfibia, untema que ya estaba siendo estudiado por muchos cien-

tficos.Hay varias razones posibles para explicar los proble-mas que enfrentan los anfibios. La polucin del agua esuna posibilidad obvia, ya que estos animales se repro-ducen y pasan sus primeras etapas de la vida enestanques y arroyos. La lluvia cida resultante de lapolucin del aire tambin podra afectar su hbitatacutico. La radiacin ultravioleta podra estar gene-rando ranas mutantes? El calentamiento global estafectando negativamente a los anfibios? Hay algunaenfermedad que los ataca? Existen evidencias que apo-yan cada una de estas posibilidades, pero no hay una

nica respuesta. En cierta oportunidad, el hallazgo de

una respuesta por parte de un estudiante abri a loscientficos una nueva perspectiva acerca de la cuestin.

En 1996, el estudiante universitario de segundo aode la Universidad de Stanford Pieter J ohnson decidi, alobservar una coleccin de ranas arborcolas del Pacficoque tenan patas extras, centrar su proyecto de investi-gacin de graduacin en hallar el origen de estas defor-maciones. Las ranas provenan de un estanque situadoen una regin agrcola cerca de unas minas de mercurioabandonadas. Por lo tanto, dos de las posibles causas

de las deformidades podan ser los agroqumicos o losmetales pesados provenientes de las minas.Pieter aplic el mtodo cientfico. Sobre la base de lo

que ya conoca y de su investigacin bibliogrfica, propu-so una explicacin lgica para el hallazgo de las ranasmonstruosas: la polucin del agua. A fin de probar suidea dise un experimento que consista en compararestanques habitados por ranas deformes con otrosdonde las ranas eran normales y examin la presencia ola ausencia de contaminantes. Como suele ocurrir en laciencia, su explicacin propuesta, ohiptesis, resultrefutada por el experimento realizado. Pero su trabajo de

campo condujo al planteo de una nueva hiptesis: quelas deformidades son causadaspor un parsito. Pieter llev acabo experimentos de laborato-rio cuyos resultados apoyaronla conclusin de que ciertoparsito est presente en algu-nos estanques. Este tipo deparsitos penetra en los rena-cuajos recin eclosionados yaltera el desarrollo de laspatas posteriores en la rana

Las ranas enfrentan serios pro-blemas En esta muestra de ranasarborcolas del Pacfico (Hyla regi-

lla)se observan mltiples deforma-

ciones en sus patas traseras.

Deformaciones similares se

encontraron en ranas de diferen-

tes regiones del mundo.

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adulta. Si bien su investigacin no explic la transforma-cin global de los anfibios, puso en evidencia un problemacomn que afecta a estos animales.sta es la manerade progresar de la ciencia: a travs de pequeos peroslidos pasos.

Los bilogos usan el mtodo cientfico para investi-gar los procesos de la vida en todos los niveles, desdelas molculas hasta los ecosistemas. Algunos de estosprocesos transcurren en millonsimas de segundos, entanto otros abarcan millones de aos. Los objetivoscentrales de los bilogos se relacionan con la compren-sin de las funciones de los organismos o grupos deorganismos y, en ocasiones, utilizan ese conocimientode un modo prctico y beneficioso.

1.1 Qu es la biologa?La biologaes el estudio cientfico de los seres vivos. Los

bilogos definen como seres vivos a toda la diversidad deorganismos que descienden de un ancestro comn unicelu-lar que surgi hace casi 4.000 millones de aos. Debido aeste ancestro comn, todos los organismos vivos comparten

numerosas caractersticas que no se encuentran en el mundono vivo. La mayora de los seres vivos: tienen una o ms clulas contienen informacin gentica utilizan la informacin gentica para reproducirse se hallan genticamente emparentados y han evoluciona-

do de otros similares pueden convertir molculas tomadas de su ambiente en

nuevas molculas biolgicas pueden tomar energa del ambiente y utilizarla para rea-

lizar un trabajo biolgico pueden regular su medio interno

Esta lista puede servir como una gua que esboza losprincipales temas y principios unificadores de la biologa yque se encuentran en este libro. Si bien es una enumeracin

simple, encubre la increble complejidad y diversidad de lavida. Algunas formas de vida pueden no exhibir todas estascaractersticas durante todo el tiempo. Por ejemplo, la semi-lla de una planta del desierto puede transcurrir muchosaos sin extraer energa del ambiente, convertir molculas,regular su medio interno o reproducirse. Sin embargo, lasemilla est viva.

Y qu ocurre con los virus? A pesar de que no se compo-nen de clulas, probablemente evolucionaron de organis-mos celulares y muchos bilogos los consideran seres vivos.Los virus no pueden realizar funciones fisiolgicas por ssolos; deben parasitar a las clulas hospedadoras para quesu maquinaria realice ese trabajo por ellos, incluida la repro-duccin. Sin embargo, los virus contienen informacingentica, y ciertamente evolucionan (la evolucin de los

virus de la gripe requiere cambios anuales en las vacunascreadas para combatirlos). Estn vivos los virus? Cul essu opinin?

Este libro explora las caractersticas de la vida, su varia-cin entre los organismos, su evolucin y su trabajo conjun-to, que les permite a los organismos sobrevivir y reproducir-se. La evolucin es un tema central en biologa y, por lo tanto,lo es tambin en este libro. A travs de la supervivencia y lareproduccin diferencial, los sistemas vivos evolucionan yse adaptan a muchos ambientes terrestres. El proceso de laevolucin ha generado la enorme diversidad que hoy seobserva en la vida sobre la Tierra (Figura 1.1).

Un bilogo trabajando C omo estudiante de segundoao, P ieter Johnson estudi numerosos estanques donde

habitaban las ranas arborcolas del Pacfico para descubrir

la razn por la cual en algunos existan tantos individuos

deformes.

EN ESTE CAPTULO se examinan las caractersticasms comunes de los organismos vivos, las cuales se ana-lizan en el marco de los principios fundamentales quesubyacen a toda la biologa. A continuacin se ofrece unbreve panorama sobre cmo evolucion la vida y lamanera en que se relacionan los diferentes organismosde la Tierra. Por ltimo, se abordan los temas de lainvestigacin biolgica y el mtodo cientfico.

GUA DEL CAPTULO

1.1

1.2

1.3

1.4

Q u es la biologa?

C mo se relaciona toda la vida sobre la

T ierra?

C mo investigan los bilogos la vida?

C mo influye la biologa en las polticaspblicas?

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Los organismos vivos estn formadospor clulas

Las clulas y los procesos qumicos dentro de ellas constitu-yen el tema de la Parte 2 de este libro. Algunos organismos sonunicelulares, consisten en una nica clula que realiza todas lasfunciones de la vida, mientras que otros son multicelulares, com-puestos por cierto nmero de clulas que se hallan especializa-das y cumplen diferentes funciones.

El descubrimiento de las clulas fue posible gracias a la inven-cin del microscopio, en la dcada de 1590, por los fabricantes delentes holandeses Zaccharias y Hans Janssen. Los primeros

investigadores que mejoraron la tecnologa microscpica y laemplearon para estudiar a los seres vivos fueron el holandsAntoni van Leeuwenhoek y el ingls Robert Hooke, hacia media-dos y finales de la dcada de 1600. Fue justamente Leeuwenhoekquien advirti que las gotas de un charco de agua contienen unagran cantidad de organismos unicelulares, adems de otrosnumerosos descubrimientos, a medida que realiz mejoras ensus microscopios a lo largo de toda una vida de investigacin.Por su parte, Hooke llev a cabo estudios similares. A partir delas observaciones de tejidos vegetales (especficamente, el cor-cho) lleg a la conclusin que esos tejidos estaban compuestospor numerosas unidades repetitivas: las clulas (Figura 1.2).

4 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.1 Las numerosas caras de la vida Los procesos de evolucin permitenexplicar la presencia de millones de diversos organismos vivos en la T ierra

actual. Las Archaea (A) y Bacterias (B ) son organismos unicelulares. Los

tipos de bacterias que figuran en (B ) representan las tres formas que suelen

presentar estos organismos: bastones o bacilos, hlices o espirilos y esferas

o cocos, los cuales se describen en el C aptulo 26. (C ) Los organismos cuyas

clulas nicas exhiben mayor complejidad se conocen como protistas, los

cuales son el tema del C aptulo 27. (D) Los captulos 28 y 29 abarcan las

plantas verdes multicelulares. Los restantes amplios grupos de organismos

pluricelulares son: (E), los hongos, tratados en el C aptulo 30, y (F, G ), los ani-

males, analizados en los C aptulos 31-33.

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En 1676, Hooke inform que van Leeuwenhoekhaba observado un amplio nmero de pequeos

animales en sus excrementos, que resultaban msabundantes cuando tena problemas intestinalesy ms escasos cuando se encontraba sano. Estasimple observacin representa el descubrimiento delas bacterias.

Transcurrieron ms de cien aos antes que los estudios de lasclulas tuvieran adelantos significativos. En 1838, el bilogo ale-mn Matthias Schleiden y el belga Theodor Schwann se reunie-ron en un almuerzo para intercambiar ideas acerca de sus traba-

jos en tejidos vegetales y animales, respectivamente. Quedaronsorprendidos por las similitudes en sus observaciones y arribarona la conclusin de que los elementos estructurales de las plantasy de los animales eran esencialmente idnticos. Formularon sus

conclusiones como la teora celular, que establece que: Las clulas son las unidades bsicas estructurales y fisiolgi-

cas de todos los organismos vivos. Las clulas son, a la vez, entidades diferenciadas (autnomas)

y bloques constructores de organismos ms complejos.Sin embargo, Schleiden y Schwann no comprendieron el ori-

gen de las clulas. Pensaron que emergan del autoensamblaje demateriales inanimados, como los cristales de una solucin salina.Esta conclusin se hallaba de acuerdo con el punto de vistadominante en aquellos das, segn el cual la vida surga de obje-tos no vivos por generacin espontnea; por ejemplo, ratones enlas ropas sucias, larvas de moscas en la carne en descomposicin,insectos en las mezclas de paja y agua de estanque. El debateacerca de si la vida poda surgir o no de componentes no vivoscontinu hasta 1859, cuando la Academia Francesa de Ciencias

patrocin un concurso para presentar el mejor experimento queprobara o desechara la generacin espontnea. El premio fueganado por el gran cientfico francs Louis Pasteur, cuyo experi-mento prob que la vida debe estar presente previamente paraoriginar vida, como se describe en la Figura 3.30. La visin dePasteur de los microorganismos lo llev a proponer la teora ger-minal de las enfermedades y explicar el papel de los organismosunicelulares en la fermentacin de la cerveza y el vino. Tambindise un mtodo para preservar la leche por calentamiento a finde eliminar a los microorganismos, proceso que se conoce comopasteurizacin.

En la actualidad, aceptamos rpidamente el hecho de que lasclulas provienen de clulas preexistentes. Adems, entendemos

que las propiedades funcionales de los organismos derivan dlas propiedades (estructurales) de las clulas. Tambin compredemos que las clulas de todo tipo comparten mecanismos eseciales que se remontan a su ancestro comn, surgido hace milde millones de aos.

Por lo tanto, pueden agregarse algunas premisas a la teorcelular:

Todas las clulas provienen de clulas preexistentes. Todas las clulas presentan una composicin qumica simila La mayora de las reacciones qumicas de la vida tienen lug

dentro de las clulas. Conjuntos completos de informacin gentica son replicad

y distribuidos durante la divisin celular.Al mismo tiempo que Schleiden y Schwann sentaban lo

cimientos de la teora celular, Charles Darwin comenzaba a comprender los mecanismos por los cuales los seres vivos expermentan los cambios evolutivos.

La diversidad de la vida se debe ala evolucin por seleccin natural

La evolucin por seleccin natural, como la propuso CharlDarwin es, tal vez, el principio unificador fundamental de la biloga y constituye el tema de la Parte 5 de este libro.

Darwin plante que los organismos vivos descendieron dancestros comunes y, por lo tanto, se hallan relacionados entre sNo cont con la ventaja de conocer los mecanismos genticos dla herencia que se estudiarn en la Parte 3, pero an as supusque tales mecanismos existan debido a la similitud que preseta la descendencia respecto de los progenitores. Este simphecho es la base del concepto de especie. Aunque la definiciprecisa de especie resulta complicada, en su uso ms general refiere a un grupo de organismos que se asemejan (son morflgicamente similares) y pueden reproducirse con xito entre s

1. 1 QU ES LA BIOLOGA?

1.2 Toda la vida se compone de clulas (A ) El desarrollo delmicroscopio, como el instrumento usado por Robert Hooke,

revel el mundo microscpico a los cientficos del siglo XVII.

(B ) H ooke fue el primero que propuso el concepto de clulas,

basado en sus observaciones microscpicas de cortes finos de

tejidos de plantas (corcho). (C ) Versin moderna del microscopio

ptico o de luz. (D) Un microscopio ptico moderno revela las

conexiones intrincadas entre las clulas de una hoja.

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Pero la descendencia tambin presenta diferencias respecto delos progenitores. Cualquier poblacin de una especie de planta ode animal exhibe variacin, y si se seleccionan dos organismosque puedan reproducirse, sobre la base de algn carcter parti-cular, ste se manifestar con mayor probabilidad en la descen-dencia que en el resto de la poblacin. El propio Darwin cripichones de palomas y estaba al tanto de cmo los criadoresseleccionaban determinados patrones de plumaje, formas depico y tamaos corporales atpicos. Se dio cuenta de que si losseres humanos podan seleccionar rasgos especficos, el mismoproceso podra operar en la naturaleza, lo que dio origen al con-cepto de seleccin natural.

Cmo funciona la seleccin en la naturaleza? Darwin pro-puso que diferentes probabilidades de supervivencia y xito re-productivo efectuaran esta tarea. Razon que la capacidad dereproduccin de las plantas y de los animales, sin control, deter-minara un crecimiento ilimitado de la poblacin. Como esto nose observa en la naturaleza, se deduce que un pequeo porcenta-

je de la descendencia debe sobrevivir y reproducirse. Entonces,

cualquier carcter que le confiera a su poseedor aun un pequeoincremento en la probabilidad de sobrevivir y reproducirse serafavorecido en mayor medida y se distribuira en la poblacin.Darwin denomin a este fenmeno seleccin natural.

Debido a que los organismos con tales caractersticas sobrevi-ven y se reproducen mejor en un determinado conjunto de con-diciones, la seleccin natural conduce a las adaptaciones:estructural (morfolgica), funcional (fisiolgica) y de comporta-miento (etolgica), que aumentan las posibilidades de supervi-vencia y de reproduccin en su ambiente (Figura 1.3). Las nume-rosas comunidades ecolgicas y los diferentes ambientes a losque se han adaptado los organismos durante su prolongada his-toria evolutiva condujeron a una notable diversidad, que se exa-minar en la Parte 6 de este libro.

Si todas las clulas provienen de clulas preexistentes y todaslas especies de organismos de la Tierra se hallan emparentadaspor su descendencia con modificaciones a partir de un ancestrocomn, cul es la fuente de informacin que pasa de las clulasde los progenitores a las de los descendientes?

6 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.3 Adaptaciones al ambiente Las hojas de todaslas plantas se hallan especializadas en la fotosnte-

sis: la transformacin del agua y del dixido de car-

bono propulsada por la energa solar cuyo resultado

es la sntesis de molculas estructuralmente mayo-

res llamadas hidratos de carbono. Sin embargo, las

hojas de diferentes plantas muestran numerosas

adaptaciones a los ambientes particulares.

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La informacin biolgica se halla contenidaen un lenguaje gentico comn a todoslos organismos

Las instrucciones de la clula o programa para su existen-cia se hallan contenidas en su genoma, que representa la sumade todas las molculas de DNA de la clula. Las molculas deDNA (cido desoxirribonucleico) son largas secuencias de cuatrosubunidades diferentes denominadas nucletidos. Las secuen-

cias de nucletidos contienen informacin gentica. Los segmen-tos especficos de DNA denominados genes contienen la infor-macin que la clula utiliza para elaborar protenas (Figura 1.2).Las protenas componen gran parte de la estructura del organis-mo y son las molculas que gobiernan las reacciones qumicas enel interior de la clula. Por analoga con un libro, los nucletidosde DNA representan las letras de un alfabeto. Las protenas sonlas oraciones que ellas determinan. Las combinaciones de prote-nas que conforman las estructuras y que controlan los procesos

bioqumicos equivalen, a su vez, a los prrafos de este libro. Lasestructuras y los procesos que se organizan en los diferentes sis-temas con tareas especficas (como la digestin o el transporte)son los captulos y el libro completo se identifica con el organis-mo. La seleccin natural representa al autor y al editor de todoslos libros de la biblioteca de la vida.

Si una persona escribiera su propio genoma utilizandocuatro letras para representar los nucletidos, deberaescribir un total de ms de tres mil millones deletras. Si usara el mismo cuerpo de letra de estetexto el genoma completo abarcara alrededor de millibros de un tamao similar al de ste.

Todas las clulas de un organismo multicelular contienen losmismos genomas, aunque las diferentes clulas cumplen diversasfunciones y forman distintas estructuras. En consecuencia, dife-

rentes tipos de clulas de un organismo pueden expresar partdiversas de su genoma. El modo como el control de la expresignica permite el desarrollo y la funcin de un organismo compl

jo constituye un tema central de la investigacin biolgica actuaEl genoma de un organismo consiste en millones de genes.

la secuencia de un nucletido de un gen se altera, es probabque la protena que codifica tambin resulte alterada. Las alterciones de los genes se denominan mutaciones. Las mutacionocurren de manera espontnea y pueden ser inducidas pdiversos factores externos, como las sustancias qumicas y radiacin. Muchas mutaciones son perjudiciales, aunque a vecun cambio en las propiedades de una protena altera su funcide modo tal que mejora el funcionamiento del organismo edeterminadas condiciones ambientales. Estas mutaciones bene

ciosas constituyen el material crudo de la evolucin.

Las clulas utilizan nutrientes queproporcionan energa y construyen nuevasestructuras

Los organismos vivos adquieren sustancias denominadnutrientes del ambiente. Los nutrientes proveen al organismo denerga y materiales para la construccin de las estructuras biolgicas. Las clulas toman molculas de los nutrientes y ldegradan en unidades qumicas ms pequeas. Al hacerlo, puden captar la energa contenida en las uniones qumicas de lmolculas de los nutrientes y usarla para realizar diferentes tr

bajos. Una clase de trabajo celular es la construccin o sntesis d

nuevas molculas complejas y de estructuras a partir de uniddes qumicas ms pequeas. Por ejemplo, todos estamos familirizados con el hecho de que los hidratos de carbono consumidhoy pueden depositarse en el cuerpo como grasa maan(Figura 1.5A). Otra forma de trabajo celular es de tipo mecnicpor ejemplo, trasladando molculas desde una ubicacin celula otra, o incluso moviendo clulas o tejidos enteros, como en caso de los msculos (Figura 1.5B).

Los organismos vivos controlan suambiente interno

La vida depende de miles de reacciones bioqumicas que ocrren dentro de las clulas. Estas estructuras requieren que lo

materiales sean trasladados hacia el interior o el exterior de laclulas de un modo controlado. En el interior de la clula, estreacciones se hallan conectadas de modo que los productos duna de ellas constituyen los reactivos de la prxima. Esta recompleja de reacciones suele estar integrada en forma adecuadde modo que las velocidades de reaccin en la clula tienen quser controladas en forma precisa. Una gran proporcin de laactividades celulares se ocupa de la regulacin de las mltiplreacciones qumicas que tienen lugar en forma continua dentrde la clula.

Los organismos formados por ms de una clula cuentan coun medio interno no celular. Esto es, sus clulas individuales estrodeadas de fluidos extracelulares de los cuales reciben su

1. 1 QU ES LA BIOLOGA?

1.4 El cdigo gentico es el programa de la vida Las instruciones para la vida se hallan contenidas en las secuencias de

nucletidos de las molculas de DN A. Las secuencias especfic

de DNA comprendidas en los genes, y la informacin de cada

gen, proveen a la clula la informacin necesaria para la fabrica-

cin de protenas especficas. La longitud promedio de un gen

humano individual es de 16.000 nucletidos.

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nutrientes y en los cuales excretan sus desechos. Las clu-las de los organismos multicelulares contribuyen de algu-

na manera en el mantenimiento del medio interno. Sinembargo, con la evolucin de funciones especializadas,estas clulas pierden muchas de las funciones que cumplenen los organismos unicelulares y, por lo tanto, dependen deun medio interno para los procesos esenciales. La interde-pendencia de diferentes tipos de clulas en un organismomulticelular se puede expresar en el famoso lema de losTres Mosqueteros: Uno para todos y todos para uno.

Estas tareas especializadas se llevan a cabo en conjuntosde clulas similares, los tejidos. Por ejemplo, una nica clu-la muscular no puede generar suficiente fuerza, pero cuan-do varias de estas clulas se combinan en el tejido muscular,se pueden generar fuerzas y movimientos considerables(vase Figura 1.5B). Diferentes clases de tejidos estn orga-nizados en rganos que realizan funciones especficas.

Ejemplos de rganos comunes son el corazn, el cerebro yel estmago, cuyas funciones se hallan interrelacionadasy se pueden agrupar en sistemas de rganos. Las funciones delas clulas, los tejidos, los rganos y los sistemas orgnicosestn integradas en el organismo multicelular (Figura 1.6).

8 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.5 La energa de los nutrientes puede almacenarseo utilizarse en forma inmediata (A ) Las clulas de laardilla terrestre rtica han degradado los hidratos de car-

bono de las plantas y convertido sus molculas en lpidos,

que se almacenan en el cuerpo del animal proporcionando

energa suplementaria durante los meses fros. (B ) Las

clulas de este canguro degradan molculas de alimento y

usan la energa de sus uniones qumicas en la obtencin

del trabajo mecnico, en este caso, el salto.

1.6. El estudio de la biologa se aplica a los diferen-tes niveles de organizacin Las propiedades de lavida surgen cuando el D NA y otras molculas se organi-

zan en las clulas. La energa fluye a travs de todos los

niveles biolgicos que se muestran aqu.

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La biologa de los organismos es la temtica de las Partes 7 y 8 deeste libro.

Como muestra la Figura 1.6, los organismos individuales noviven aislados y el ordenamiento jerrquico de la biologa exce-de los lmites de este nivel (individuo).

Los organismos vivos interactan entre sLos organismos se relacionan tanto con su ambiente externo

como con su medio interno. Los organismos individuales consti-tuyen partes depoblaciones que interactan entre s y con otras dediferentes organismos.

Los organismos se relacionan de diversas maneras. Por ejem-plo, algunos animales son territoriales y lucharn para impedirque otros individuos de su especie exploten los recursos que

defienden, as se trate de alimento, sitios de nidificacin o pare-jas (Figura 1.7A). Tambin pueden cooperar con miembros de supropia especie y formar unidades sociales, como las colonias delas termitas, los cardmenes de peces y las sociedades de surica-tos (miembros de la familia de las mangostas) (Figura 1.7B).Tales interacciones entre los individuos dieron lugar a la evolu-cin de conductas sociales, como la comunicacin.

La interaccin de las poblaciones de varias especies diferentesconstituye una comunidad y las relaciones entre las especiesrepresentan una fuerza evolutiva fundamental. Las adaptacionesque le brindan ventajas al individuo de una especie para obteneralimento de miembros de otras especies (y en sentido inverso, lasque disminuyen las oportunidades de los individuos de conver-tirse en alimento de otras especies) resultan primordiales en lahistoria de la evolucin. Los organismos de diferentes especies

pueden competir por los mismos recursos, lo que conduce a laseleccin natural de adaptaciones especializadas (las que permi-ten a algunos individuos explotar los recursos con mayor efica-cia que otros).

En una localidad geogrfica determinada, las comunidadesque se relacionan forman ecosistemas, en los cuales los organis-mos pueden modificar el ambiente de manera que afecta a losrestantes. Por ejemplo, en la mayora de los ambientes aerote-rrestres, las plantas dominantes modifican en gran medida lascondiciones en que deben vivir los animales y otras plantas. Laforma en que las especies interactan entre s y con su ambien-te es el tema de la ecologa, el cual se trata en la Parte 9 de estelibro.

Los descubrimientos en biologa puedengeneralizarse

Como toda la vida se halla relacionada por la descendenciapartir de un ancestro comn, todos los organismos comparten ucdigo gentico y consisten en unidades estructurales similarelas clulas, de modo que el conocimiento obtenido en investigciones especficas de un tipo de organismo puede, con prudencia, extenderse a otros organismos. En consecuencia, los bilogotienen la posibilidad de aplicar sistemas modelos para la invetigacin, cuyos hallazgos pueden generalizarse a otros organimos y a los seres humanos. Por ejemplo, nuestro conocimien

bsico de las reacciones qumicas celulares proviene de la invetigacin sobre las bacterias, aunque es aplicable a todas las cllas, incluidas las humanas. Asimismo, la bioqumica de la fotsntesis el proceso por el cual las plantas usan la luz solar pa

producir molculas biolgicas fue investigada mayormenmediante experimentos en Chlorella (un tipo de alga verde dagua dulce; vase Figura 8.12). Mucho de lo que sabemos acerde los genes que controlan el desarrollo de las plantas lo aprendimos de la investigacin con especies vegetales individual(vase Captulo 19). El conocimiento acerca de cmo se produel desarrollo de los animales procede de la investigacin con ezos de mar, ranas, pollos, nematodos y moscas de la fruta. recientemente, el descubrimiento de los principales genes qucontrolan el color de la piel en los seres humanos proviene dtrabajo con los peces cebra. La generalizacin a partir de un sitema modelo es sin duda una herramienta poderosa.

1. 1 QU ES LA BIOLOGA?

1.7 Conflicto y cooperacin Loorganismos de la misma especie

interactan entre s de varias

maneras. (A ) Los elefantes marino

machos territoriales defienden sec

tores de playa de otros competido

res. El nico macho que controla

su sector es capaz de aparearse

con todas las hembras (vistas en

el fondo) que viven all. (B ) Losmiembros de una colonia de suri-

catos se encuentran a menudo

emparentados entre s. Los surica

tos cooperan de diferentes mane-

ras, como la vigilancia de los pre-

dadores y el establecimiento de

una alarma en caso de que se

aproximen.

Los organismos vivos estn formados por clulas, evolu-cionan por seleccin natural, contienen informacingentica, extraen energa de su ambiente y la utilizanpara realizar trabajo biolgico, controlan su ambienteinterno e interactan entre s.

Puede describir la relacin entre evolucin por selec-cin natural y cdigo gentico? Vanse pp. 5-7

Comprende por qu los resultados de la investigacinbiolgica sobre una especie pueden ser generalizados avarias especies diferentes? Vase p. 9

REVISIN 1.1

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Luego de haber trazado un panorama de las principalescaractersticas de la vida, que se explora en profundidad en estelibro, cabe preguntar acerca de cundo y de qu manera surgi.En la prxima seccin se describe la historia de la vida desde lasprimeras formas simples hasta las complejas y diversas de losorganismos que habitan actualmente en nuestro planeta.

1.2 Cmo se re lac iona toda la v idasobr e la Tierr a?Qu quieren decir los bilogos cuando afirman que todos los

organismos se hallan genticamente emparentados? Esto significaque las especies terrestres comparten un ancestro comn. Si dosespecies son similares, como los perros y los lobos, es probable quehayan compartido un ancestro en un pasado ms bien reciente. Elancestro comn de dos especies que difieren en mayor gradocomo el perro y el ciervo probablemente proviene de un pasadoms distante. Y si dos organismos son muy diferentes por ejem-plo, un perro y una almeja entonces es necesario remontarse a unpasado muy lejano para hallar su ancestro comn. Cmo seala-mos cun distantes en el tiempo geolgico se localiza el ancestrocomn de dos organismos? En otras palabras, de qu manera

descubrimos las relaciones evolutivas entre los organismos?Durante muchos aos, los bilogos investigaron la historia de

la vida mediante el estudio del registro fsil, los restos preserva-dos en las rocas de organismos que vivieron en el pasado geol-gico (Figura 1.8). Los gelogos proporcionaron elconocimiento acerca de las edades de los fsiles yla naturaleza del ambiente en que vivieron. Los bi-logos lograron entonces inferir las relaciones evo-lutivas entre los organismos vivos y los fsilesmediante la comparacin de las similitudes y lasdiferencias anatmicas. La aparicin de los moder-nos mtodos moleculares para la comparacin degenomas, que se describe en el Captulo 24, les per-miti a los bilogos establecer en forma ms preci-sa el grado de parentesco entre dos organismos

vivos y usar esta informacin para ayudar a lainterpretacin del registro fsil.En general, cuanto mayores son las diferencias

entre los genomas de dos especies, ms distanteresulta el ancestro comn. Utilizando las tcnicasmoleculares, los bilogos exploran cuestiones fun-damentales acerca de la historia de la vida sobre laTierra. Cules eran las formas iniciales de vida?Cmo dieron lugar estos organismos simples a lagran diversidad de seres que viven actualmente? Esposible reconstruir el rbol familiar de toda la vida?

La vida surgi de compuestos novivos por evolucin qumica

Los gelogos estiman que la Tierra tiene unaedad aproximada de 5.000 millones de aos.Durante los primeros 1.000 millones de aos no eraun lugar muy hospitalario para los seres vivos y, dehecho, no haba vida. Si representamos la historiade la Tierra como un calendario de 30 das, la vidaprobablemente surgi alrededor de la mitad de laprimera semana, o sea, hace unos 4.000 millones deaos (Figura 1.9).

Cuando suponemos que la vida debe haber sur-gido de la materia no viva, es necesario tomar enconsideracin las propiedades de la atmsfera, de

10 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.8 Los fsiles brindan una visin de la vida del pasadoLos ms visibles de los organismos fosilizados de esta muestra

de roca son los amonites, un grupo extinguido de moluscos

cuyos parientes vivos incluyen los calamares y los pulpos. Los

amonites proliferaron hace entre 200 y 60 millones de aos. Este

grupo particular de fsiles tiene aproximadamente 185 millonesde aos de antigedad.

1.9 Calendario de la vida Si la historiade la vida en la T ierra se traza en un

calendario de 30 das, la historia huma-

na registrada abarca nicamente los lti-

mos 5 segundos.

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los ocanos y del clima del joven planeta, que eran muy diferen-tes de los de la Tierra actual. Los bilogos postulan que las mol-culas biolgicas complejas surgieron en primer lugar de la aso-ciacin fsica aleatoria de compuestos qumicos en el ambiente.Los experimentos que simulan las condiciones de la Tierra primi-tiva han confirmado que la generacin de molculas complejasen tales condiciones es posible, incluso probable. Sin embargo, elpaso crtico para la evolucin de la vida tuvo que ser la aparicinde molculas que podan replicarse y tambin actuar como mol-des para la sntesis de grandes molculas con formas complejasaunque estables. La variacin de las formas de estas molculasestables (descritas en el Captulo 3) les permiti participar encada vez mayor nmero y clase de interacciones con otras mol-culas mediante reacciones qumicas.

La evolucin biolgica comenz cuando seformaron las clulas

El siguiente paso crtico en el origen de la vida fue la inclusinde las molculas biolgicas complejas dentro de membranas, quelas mantuvieron juntas e incrementaron su frecuencia de interac-cin. Las molculas de lpidos constituyeron el componente cr-tico porque estas molculas no son solubles en agua y dan lugar

a membranas en forma de pelculas o lminas. Estas pelculastienden a formar vesculas esferoidales, que pueden contenerencapsulados en su interior determinados conjuntos de molcu-las biolgicas. Los cientficos postulan que hace 3.800 millones deaos, este proceso natural de formacin de membranas dio lugara las primeras clulas capaces de autorreplicacin, un evento quemarc el comienzo de la evolucin biolgica.

Durante 2.000 millones de aos despus de la aparicin de lasprimeras clulas, todos los organismos fueron unicelulares. Estosprimeros organismos unicelulares fueron (y son, ya que una mul-titud de sus descendientes existen en la actualidad) procariontes .La estructura de la clula procarionte consiste en DNA y otrassustancias bioqumicas encerradas dentro de una membrana.

Estos primeros procariontes se hallaban confinados a los oca-nos, donde exista una abundancia de molculas complejas que

podan utilizar como materias primas y fuentes de energa. Losocanos los protegieron de los efectos letales de la luz ultraviole-ta, muy intensa en aquel tiempo debido a la ausencia de oxgenoen la atmsfera y, en consecuencia, de la capa protectora deozono.

La fotosntesis cambi el cursode la evolucin

La suma total de todas las reacciones qumicas que tienenlugar en el interior de una clula constituye el metabolismo celu-lar. A fin de controlar ese metabolismo, los primeros procariontestomaron molculas directamente del ambiente, degradndolasen otras ms pequeas y liberando as la energa contenida en los

enlaces qumicos. Numerosas especies modernas de procariontesan funcionan de este modo con gran xito.Un paso extremadamente importante que cambiara la natu-

raleza de la vida en la Tierra tuvo lugar hace 2.500 millones deaos con la evolucin de la fotosntesis . Las reacciones qumicasde la fotosntesis (que se explican en el Captulo 8) transformanla energa de la luz solar (energa radiante) en una forma de ener-ga que puede emplearse en la sntesis de grandes molculas bio-lgicas. Estas molculas constituyen los bloques de construccinde las clulas: tambin pueden ser degradadas y proporcionarenerga metablica. Como los procesos de captacin de esta ener-ga proveen alimento a otros organismos, la fotosntesis es la

base de gran parte de la vida actual en la Tierra.

Las primeras clulas fotosintticas fueron probablemente simlares a ciertos procariontes actuales denominados cianobacteri(Figura 1.10). A travs del tiempo, los procariontes fotosintticse hicieron tan abundantes que grandes cantidades de oxgenO2, un desecho metablico de la fotosntesis comenzaron a acumularse en la atmsfera. El O2 result txico para muchos procriontes que vivan en aquella poca. Sin embargo, algunos orgnismos que lo toleraron pudieron proliferar, ya que la presencde ese gas abri nuevas y amplias avenidas en la evolucin. metabolismo basado en el uso del O2, llamado metabolismo aerobes ms eficiente que el anaerobio (que no utiliza oxgeno), caractrstico de los primeros organismos. El metabolismo aerobio pemiti que las clulas crecieran ms en tamao y en la actualida

lo realizan la mayora de los organismos terrestres.A lo largo de millones de aos, grandes cantidades de oxgno liberadas por la fotosntesis formaron la capa de ozono (Oubicada en la alta atmsfera (estratosfera). A medida que escapa se engros, intercept en mayor grado las letales radiacines solares ultravioleta. nicamente en los ltimos 800 millonde aos la presencia de una densa capa de ozono les permitilos organismos abandonar la proteccin de los ocanos y vivir etierra firme.

Las clulas eucariontes evolucionaronde las procariontes

Otro paso importante en la historia de la vida fue la evoluci

de clulas con compartimentos intracelulares separados, llamdos orgnulos, que fueron capaces de realizar funciones celularespecializadas. Este suceso tuvo lugar aproximadamente transcurridas tres semanas del calendario de la historia de la Tier(vase Figura 1.9). Uno de estos orgnulos, el ncleo, pas a cotener la informacin gentica celular. El ncleo tiene el aspecde un grnulo denso, que le otorga a estas clulas el nombre deucariontes (del griego eu, verdadero y karyon, carozo, granoa diferencia de las clulas procariontes, que carecen de comparmentalizaciones internas (pro, antes).

Se postula que algunos orgnulos se originaron cuando lclulas ingirieron otras ms pequeas (vase Figura 4.26). Pejemplo, el orgnulo especializado en realizar la fotosntesis, el cl

1. 2 CMO SE RELACIONA TODA L A VIDA SOBRE LA TIERRA? 1

1.10 Los organismos fotosintticos transformaron laatmsfera terrestre Esta cianobacteria moderna podra ser musimilar a los primeros procariontes fotosintticos que introdujero

oxgeno en la atmsfera terrestre.

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roplasto, podra haber surgido como un procarionte fotosintticoingerido por un eucarionte ms grande. Si la clula mayor nologr degradar este objeto nutricional, pudo desarrollarse unarelacin de cooperacin (simbiosis) en la cual el procarionte inge-rido proporcion los productos de la fotosntesis y la clula hospe-dadora ofreci un ambiente adecuado para su compaero menor.

Al surgir la multicelularidad, las clulas seespecializaron

Hasta hace algo ms de 1.000 millones de aos, todos los orga-nismos que existan sean procariontes o eucariontes eran unice-lulares. Entonces otro paso evolutivo fundamental tuvo lugarcuando algunas clulas eucariontes no lograron separarse luegode la divisin celular y permanecieron unidas entre s. La asocia-cin permanente de clulas posibilit que algunas se especializa-ran en ciertas funciones, como la reproduccin, mientras que otraslo hicieron en variadas funciones, como la absorcin de nutrientesy la distribucin de stos a las clulas vecinas. Esta especializa-cin celular permiti un aumento de tamao de los eucariontespluricelulares, que se tornaron ms eficientes en la recoleccin derecursos y en la adaptacin a ambientes especficos.

Los bilogos pueden trazar el rbolevolutivo de la vida

Si todas las especies de organismos de la Tierra actual son des-cendientes de un nico tipo de organismo unicelular que vivihace alrededor de 4.000 millones de aos, cmo se volvieron tandiferentes entre s? Por qu existen tantas especies?

Cuando los individuos de una poblacin se aparean al azar,los cambios estructurales y funcionales pueden evolucionar den-

tro de dicha poblacin, si bien sta continuar perteneciendo auna nica especie. Sin embargo, si algn suceso separa algunosmiembros de la poblacin del resto de ella, se pueden acumularen el tiempo diferencias estructurales y funcionales entre ambosgrupos. En resumen, los caminos evolutivos de los dos grupos dela poblacin pueden divergir al punto que sus miembros ya nopueden volver a reproducirse entre s; por lo tanto, habrn evo-lucionado en especies diferentes. Este proceso evolutivo, deno-minado especiacin, se detalla en los Captulos 22 y 23.

Los bilogos designan cada especie con un nombre cientficoformado por dos nombres latinizados (binomial). El primeroidentifica el gnero un grupo de especies que comparte unancestro comn reciente y el segundo, la especie. Por ejemplo,el nombre cientfico de la especie humana esHomo sapiens (Homoes el gnero y sapiens, la especie). Los nombres cientficos se refie-ren casi siempre a algunas caractersticas de la especie. Homoderiva de la palabra latina para hombre, mientras que sapienssignifica inteligente o racional.

Se calcula que existen en la Tierra actual alrededor de 30 mi-llones de especies de organismos. Varios millones de sucesosde especiacin crearon la vasta diversidad; el desglosamiento deestos eventos puede diagramarse en un rbol evolutivo queindica el orden en que las poblaciones se separaron y derivaronen especies diferentes. Un rbol evolutivo traza la descendencia

de los ancestros que vivieron en momentos diferentes del pasa-do. Los organismos de cada rama comparten un ancestro comnen su base. Los grupos ms ntimamente relacionados se sitan

juntos en la misma rama; los menos relacionados se ubican enramas diferentes. En este libro se adopt por convencin que eltiempo corre de izquierda a derecha, por lo que el rbol de laFigura 1.11 (y otras similares en este texto) est en posicin hori-zontal, con la raz (el ancestro de todos los seres vivos) ubicada ala izquierda. Si bien muchos detalles permanecen sin resolucin,los rasgos generales del rbol de la vida ya fueron determinados.Su patrn de ramificacin se basa en un rico conjunto de eviden-cias: fsiles, estructuras, procesos metablicos, comportamientoy anlisis moleculares de genomas.

No existen fsiles que ayuden a la determinacin de las rami-ficaciones ms tempranas del linaje de la vida, ya que estos orga-

nismos unicelulares no presentaban partes fosilizables. Sinembargo, la evidencia molecular puede utilizarse para separartodos los organismos vivos en tres dominios principales: Archaea,Bacteria y Eukarya (Figura 1.11). Los organismos de cada domi-nio han evolucionado separadamente de otros ubicados en losrestantes dominios durante ms de mil millones de aos.

Los organismos pertenecientes a los dominios Archaea yBacteria son todos procariontes. Archaea y Bacteria difierenentre s tan fundamentalmente en sus procesos metablicos quese piensa que se separaron muy temprano en sus distintos lina-

jes evolutivos.Los miembros del tercer dominio Eu-

karya tienen clulas eucariontes. Tresconjuntos principales de eucariontes mul-ticelulares plantas, hongos y animales

evolucionaron a partir de microorganismoseucariontes unicelulares, ms conocidoscomo protistas. El protista fotosintticoque origin a las plantas era completa-mente diferente del protista ancestral delos animales y los hongos (como se evi-dencia en el patrn de ramificacin de laFigura 1.11).

Algunas especies de Bacteria, Archaeay protistas, y la mayora de las plantaspueden realizar fotosntesis. Estos orga-nismos se denominan auttrofos (que senutren a s mismos). Las molculas bio-

12 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.11 El rbol de la vida El sistema de clasificacin usado en este libro divide alos organismos terrestres en tres dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. Las

ramas azules no rotuladas dentro de Eukarya representan varios grupos de

microorganismos eucariontes, ms conocidos como protistas.

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lgicas que producen constituyen el alimento principal para casitodos los organismos vivos.

El grupo Fungi (hongos) incluye los mohos, los championes,las levaduras y otros organismos similares, todos los cuales sonhetertrofos (que se nutren de otros), lo que significa que requie-ren una fuente de molculas sintetizadas por otros organismosque luego degradan y as obtienen energa destinada a sus pro-pios procesos metablicos. Los hongos degradan las molculasde alimento ricas en energa directamente del ambiente y luegoabsorben los productos degradados hacia el interior de sus clu-las. Algunos hongos son importantes como descomponedores delos productos de desecho y los cadveres de otros organismos.

Al igual que los hongos, los animales son hetertrofos, si biena diferencia de ellos ingieren antes su fuente de alimento y luegola degradan en el sistema digestivo. Los animales consumenotras formas de vida, incluidas las plantas, los hongos y otrosanimales. Sus clulas absorben los productos degradados a par-tir de los cuales obtienen energa.

En febrero de 1676, Robert Hooke recibi una carta del fsicosir Isaac Newton, en la cual le escriba la famosa frase: Si hepodido ver un poco ms all es porque estoy parado sobre loshombros de gigantes.

Todos estamos parados sobre los hombros de gigantes alconstruir nuestras investigaciones sobre las de los cientficos quenos precedieron. Hacia el final de este curso, usted sabr ms dela evolucin de lo que Darwin alguna vez pudo saber y conoce-r infinitamente ms acerca de las clulas de lo que Schleiden ySchwann supieron. Observemos los mtodos utilizados por los

bilogos para expandir el conocimiento de la vida.

1.3Cmo invest igan los b i logos la v ida?

Los bilogos utilizan numerosas herramientas y mtodos ensus investigaciones, pero independientemente del mtodo queutilicen, tienen en cuenta dos aproximaciones bsicas para elestudio de la vida: observan y realizan experimentos.

La observacin es una importante destrezaLos bilogos siempre observaron el mundo que los rodeaba,

aunque en la actualidad estas capacidades se hallan muy amplia-das debido a las numerosas y complejas tcnicas, como el micros-copio electrnico, los chips de DNA, la resonancia magntica ylos satlites globales de posicionamiento. Los avances en la tec-

nologa son responsables de los fundamentales progresos dla biologa. Por ejemplo, no hace demasiado tiempo, resultabextremadamente difcil descifrar una secuencia de nucletidque compona un nico gen y deba invertirse mucho tiempo eello. Las nuevas tcnicas les permitieron a los bilogos secuenciar el genoma humano completo en tan slo 13 aos (de 19902003). En la actualidad, los cientficos emplean estos mtodos eforma habitual, mediante la secuenciacin de los genomas de lorganismos (incluidos los que causan enfermedades graves) eslo das. Algunas de estas tcnicas y lo que se explic de ellas detallan en la Parte 4 de este libro.

Nuestra capacidad para observar la distribucin de organimos, por ejemplo los peces en los ocanos mundiales, ha mejordo en forma drstica. Hasta hace poco, los investigadores debapegar una etiqueta sobre los peces y esperar que en algmomento un pescador lo capturara y devolviera la etiqueta, que al menos revelara en qu sitio culmin el pez su viaje. Holos aparatos de registro electrnico unidos al pez inspeccionan eforma continua no slo su ubicacin, sino tambin la profunddad en la que nada en diferentes horas del da, junto con la temperatura y la salinidad del agua que lo rodea (Figura 1.12). Edeterminados intervalos, estos registros envan la informacihasta los satlites, los cuales, a su vez, la derivan a los investigdores. Como resultado, se est acumulando un amplio conoc

miento acerca de la distribucin de la vida en los ocanos.

El mtodo cientfico combina observaciny lgica

Las observaciones conducen a interrogantes, y los cientficrealizan observaciones adicionales y experimentos para respoderlos. La aproximacin conceptual que subyace al diseo y

1. 3 CMO INVESTIGAN L OS BILOGOS LA VIDA? 1

La primera forma de vida en la Tierra fue procarionte ysurgi hace aproximadamente 4.000 millones de aos.

La complejidad de los organismos que existen en laactualidad es el resultado de varios sucesos evolutivosimportantes, que incluyen la evolucin de la fotosnte-sis, las clulas eucariontes y la multicelularidad. Lasrelaciones genticas entre todos los organismos puedenobservarse en las ramificaciones del rbol de la vida.

Puede explicar el significado evolutivo de la fotosnte-sis? Vase p. 11

Qu representan los dominios de la vida? Cules sonlos grupos ms importantes de eucariontes? Vanse p. 12y Figura 1.11

REVISIN 1.2

1.12 Marcado del atn La biloga marina Barbara B lock colocmarcas de registro electrnico a un atn de aletas azules. El uso

de tales marcas posibilita el seguimiento de cada atn por don-

dequiera que viaje en los ocanos mundiales.

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conduccin de la mayora de las investiga-ciones cientficas modernas se denominamtodo cientfico. Esta poderosa herra-mienta, tambin conocida como mtodo dehiptesis-prediccin (H-P), es una aproxima-cin conceptual que proporciona fuertesfundamentos para avanzar en el conoci-miento biolgico. El mtodo cientfico cons-ta de cinco pasos: Realizar observaciones. Formularpreguntas. Postular hiptesis, o respuestas tentativas

a los interrogantes. Hacer predicciones sobre la base de las

hiptesis. Probar esas predicciones mediante obser-

vaciones adicionales o la realizacin deexperimentos.Cuando se ha planteado un interrogante,

el cientfico emplea la lgica inductiva paraproponer una respuesta tentativa a dichapregunta. Esa respuesta tentativa se llamahiptesis. Por ejemplo, en el comienzode este captulo relatamos cmo a Pieter

Johnson le llamaron la atencin las ranasanormales que habitaban ciertos estanques.El primer interrogante que estimul laobservacin fue si exista algo en estos cuer-pos de agua que hiciera que las ranassufrieran anormalidades anatmicas tanextremas.

Al formular una hiptesis, los cientficosrenen todos los hechos ya conocidos paraproponer una o ms posibles respuestas a lacuestin. Pieter saba que probablementeexistan contaminantes en los estanquesdonde se hallaban las ranas deformes, yaque los pesticidas agrcolas eran de uso fre-cuente en la regin. Adems, el mercurio se

haba extrado de minas situadas en las pro-ximidades y, en consecuencia, las minasabandonadas podan ser una fuente demetales pesados en el agua. Tambin sabaque haba estanques prximos en los que las ranas se desarrolla-

ban normalmente. Por lo tanto, su primera hiptesis fue que loscontaminantes en el agua causaban mutaciones en los huevos delas ranas.

El siguiente paso en el mtodo cientfico es la aplicacin deuna forma diferente de lgica la lgica deductiva para realizarpredicciones basadas en las hiptesis. Sobre la base de sus hip-tesis, Pieter predijo 1) que se hallaran contaminantes en losestanques con ranas anormales y 2) que los huevos provenientesde dichos estanques produciran ranas anormales cuando sehicieran eclosionar en el laboratorio.

Los buenos experimentos pueden falsearhiptesis

Tan pronto como se realizan predicciones a partir de una hip-tesis, es posible disear experimentos para probarlas. Los experi-mentos ms informativos son aquellos que pueden demostrarque estas predicciones son incorrectas. Si la prediccin es inco-rrecta, la hiptesis debe ser cuestionada, modificada o rechazada.

Ambas predicciones iniciales de Pieter Johnson resultaronerrneas. Cont las ranas y otros organismos en 35 estanques dela regin donde se hallaban las ranas anormales y registr la

presencia de sustancias qumicas en el agua. Trece de los estan-ques estaban habitados por las ranas arborcolas del Pacfico,aunque slo en cuatro se hallaron ranas deformes. Para su sor-presa, el anlisis de las muestras de agua no mostr cantidadesaumentadas de pesticidas, qumicos industriales o metales pesa-dos en los estanques donde se hallaban las ranas deformes.Asombrosamente tambin para l, cuando recolect huevos deesos estanques y los hizo eclosionar en el laboratorio, siempreobtuvo ranas normales. La hiptesis original que estableca quelos contaminantes causaban mutaciones en los huevos de ranadebi ser rechazada. As, se formul una nueva hiptesis y se

realiz un nuevo experimento.Existen dos tipos generales de experimentos y Pieter recurria ambos: En un experimento comparativo, se predice que van a exis-

tir diferencias entre las muestras o grupos basados en lashiptesis. Entonces, se prueba si existen o no las diferenciaspostuladas.

En un experimento controlado, de igual manera se compa-ran muestras o grupos, aunque en este caso se inicia el expe-rimento con grupos que resultan lo ms parecidos posibles.Se predice sobre la base de las hiptesis que algn factor, ovariable, desempear un papel en el fenmeno que se estinvestigando. A continuacin, se emplea algn mtodo para

14 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

1.13 Los experimentos comparativos buscan las diferencias entre grupos P ieterJohnson analiz las diferencias entre los estanques con ranas deformes y los estan-

ques cercanos sin ellas. Tales comparaciones pueden aportar datos valiosos.

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la manipulacin de la variable en un grupo experimentalmientras se deja un grupo control sin alteraciones; luego seprueba si esa manipulacin genera la diferencia postuladaentre los grupos experimental y de control.

EXPERIMENTOS COMPARATIVOS Los experimentos compa-rativos resultan valiosos cuando no se conocen o no es posiblecontrolar las variables crticas. Pieter Johnson realiz un experi-mento comparativo en el que analiz el agua de los estanques(Figura 1.13). Su desafo fue hallar alguna variable que mostra-ra diferencias entre los estanques con ranas normales y anorma-les. Al no hallar diferencias en la qumica del agua de los dostipos de estanques, debi rechazar la hiptesis que postulaba quelos contaminantes ambientales eran la causa de las mutacionesde las ranas. Entonces, compar los dos tipos de estanques paraver qu variables resultaban diferentes entre ellos.

Encontr que una especie de caracol de agua dulce se hallabapresente en los estanques con ranas anormales, aunque faltabaen aquellos con ranas normales. Los caracoles de agua dulce sonhospedadores de numerosos parsitos. Entonces, la nueva hip-tesis consisti en que un parsito que infectaba al caracol era dealguna forma responsable de las deformidades de las ranas. Paraprobarlo, realiz experimentos controlados.

EXPERIMENTOS CONTROLADOSEn los experimentos contro-lados, una variable es manipulada mientras que otras se mantie-nen constantes. La variable modificada se llama variable indepen-diente y la respuesta medida es la variable dependiente. Un buenexperimento controlado no resulta fcil de disear, ya que lasvariables biolgicas estn tan interrelacionadas que es difcil alte-rar una sola de ellas.

Muchos parsitos atraviesan ciclos de vida complejos y connumerosas etapas, cada una de las cuales requiere un hospeda-dor animal especfico. Pieter se centr en la posibilidad de quealgn parsito que utilizaba los caracoles de agua dulce comouno de sus hospedadores infectaba tambin a las ranas y causa-

ba sus deformidades y lo encontr: un pequeo gusano planocuyo nombre cientfico es Ribeiroia se hallaba presente en losestanques donde vivan las ranas deformes.

En el experimento controlado de Pieter, la variable indepen-diente fue la presencia o la ausencia del caracol y del parsito(Figura 1.14). Control todas las restantes variables mediante larecoleccin de huevos de rana de los estanques donde faltabanlos caracoles o los gusanos planos parsitos y los hizo eclosio-nar en el laboratorio. Dividi los renacuajos resultantes en dosgrupos, que coloc en tanques separados. Introdujo caracoles yparsitos en la mitad de estos tanques (el grupo experimental)y dej los restantes tanques (el grupo control) libres de caraco-les y parsitos. Su variable dependiente fue la frecuencia deanormalidades en las ranas que se desarrollaban en diferentesconjuntos de condiciones. Encontr que el 85% de las ranas enlos tanques experimentales con Ribeiroia tenan anormalidades,mientras que las de los restantes estanques no presentaban nin-guna anomala. Por lo tanto, los resultados de Pieter confirma-

ron sus hiptesis y pudo continuar su investigacin acerca decmo los parsitos causaban anormalidades en el desarrollode las ranas.

Ribeiroia utiliza tres hospedadores en los estanquesde California: caracoles, ranas y aves predadoras,como las garzas. Para que el parsito complete suciclo de vida y se reproduzca debe trasladarse desdela rana al ave. Las deformidades que causa en laspatas de las ranas hacen que les resulte ms fcil alas aves capturar y comer a las ranas infectadas.

Los mtodos estadsticos son herramientacientficas esenciales

Ya sea que se realicen experimentos comparativos o controldos, al finalizarlos se debe decidir si existen diferencias entre lmuestras, los individuos, los grupos o las poblaciones en estudiDe qu manera se puede decidir si las diferencias medidaresultan suficientes para confirmar o falsificar una hiptesis? Eotras palabras, cmo es posible decidir de un modo objetivo y azar por qu estas diferencias son significativas?

La significacin puede medirse mediante mtodos estadscos. Los cientficos recurren a las estadsticas porque reconoce

1. 3 CMO INVESTIGAN L OS BILOGOS LA VIDA? 1

1.14 Los experimentos controlados manipulan una variablLa variable manipulada por Johnson era la presencia o la ausen-

cia de dos especies de gusanos planos parsitos. O tras condi-

ciones del experimento se mantuvieron constantes.

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que la variacin es comn. Los ensayos estadsticos analizan lavariacin y calculan la probabilidad de que las diferencias sedeban a una variacin aleatoria. Los resultados de los ensayosestadsticos son, en consecuencia, probabilidades. Un ensayoestadstico comienza con una hiptesis nula: la premisa de queno existen diferencias. Cuando las observaciones cuantificadas,o datos, son recabados, se utilizan los mtodos estadsticospara calcular la probabilidad de que la hiptesis nula resultecorrecta.

Ms especficamente, los mtodos estadsticos indican la pro-babilidad de obtener los mismos resultados por casualidad aunsi la hiptesis nula es correcta. Explicndolo de otra manera, esnecesario eliminar todo lo posible la probabilidad de que lasdiferencias que se muestran entre los datos sean el mero resulta-do de variaciones aleatorias en las muestras analizadas. En gene-ral, los cientficos concluyen que las diferencias medidas resultansignificativas si los ensayos estadsticos muestran que laprobabi-lidad de error (la probabilidad de que los resultados se expliquenpor casualidad) es de 5% o menor. En particular, en los experi-mentos crticos, como los ensayos sobre la inocuidad de unnuevo frmaco, los cientficos requieren valores de probabilidadmucho menores, por ejemplo de 1% o hasta de 0,1%.

No todas las formas de investigacin soncientficasLa ciencia constituye un proyecto humano nico basado en

ciertos estndares de prcticas. Otras reas de investigacin com-parten con ella la prctica de realizar observaciones y plantearpreguntas. Sin embargo, los cientficos se distinguen por lo quehacen con sus observaciones y por la manera como responden asus interrogantes. Los datos, sujetos a un anlisis estadstico ade-cuado, resultan crticos para la prueba de las hiptesis. El mto-do cientfico es el medio ms poderoso diseado por el hombrepara aprender acerca del mundo y de cmo ste funciona. Lasexplicaciones cientficas para los procesos naturales son objetivasy confiables porque las hiptesis propuestas deben ser proba-das y deben poder ser rechazadas por la observacin directa o la

experimentacin. Los cientficos describen con claridad los mto-dos utilizados para probar sus hiptesis, de manera que otrospuedan repetir sus observaciones o experimentos. No todos losexperimentos se repiten, aunque los resultados sorpresivos ocontrovertidos estn siempre sujetos a la verificacin indepen-diente. Todos los cientficos del mundo comparten este procesode construccin, de ensayo y rechazo de hiptesis, de modo que,en conjunto, contribuyen a un cuerpo comn de conocimientocientfico.

Si se entienden los mtodos de la ciencia, es posible distinguirla ciencia de la no ciencia. La pintura, la msica y la literatura sonactividades que contribuyen a la calidad de la vida humana, perono son ciencia. No utilizan el mtodo cientfico para establecerqu es un hecho. La religin no es ciencia, aunque histricamen-te las religiones han pretendido explicar los fenmenos natura-

les, desde los patrones climticos inusuales, la prdida de lascosechas y las enfermedades humanas hasta las afecciones men-tales. Muchos de estos fenmenos que en algn momento resul-taron misteriosos pueden ahora explicarse en trminos de princi-pios cientficos.

El poder de la ciencia deriva de la objetividad sin compromi-sos y de la absoluta dependencia de la evidencia que proviene deobservaciones reproducibles y cuantificables. Una explicacin religio-sa o espiritual para un fenmeno natural puede ser coherente ysatisfactoria para una persona o grupo que la sostiene, aunqueno es comprobable y, en consecuencia, no es ciencia. Invocar unaexplicacin sobrenatural (como el diseo inteligente sin basesconocidas) es alejarse del mundo cientfico.

La ciencia describe los hechos acerca de cmo funciona elmundo y no como ste debera ser. Muchos de los adelantoscientficos recientes que contribuyeron en gran medida al bienes-tar humano tambin constituyen temas ticos fundamentales.Los avances de la gentica y de la biologa del desarrollo, porejemplo, ahora permiten seleccionar el sexo de nuestros hijos,usar clulas madre para reparar nuestro cuerpo y modificar elgenoma humano. Si bien el conocimiento cientfico nos faculta arealizar estas cosas, la ciencia no puede indicarnos si debemos ono hacerlas, o en caso de que elijamos hacerlo, decirnos de qumanera debe regularse.

La toma de decisiones inteligentes acerca de estos temasrequiere una clara comprensin de las implicancias de la infor-macin cientfica disponible. El xito en la ciruga depende de undiagnstico acertado. Lo mismo ocurre con el manejo delambiente. Sin embargo, para tomar decisiones sabias acerca delas polticas pblicas, necesitamos tambin emplear el mejorrazonamiento tico posible para decidir qu resultados debera-mos obtener. Para un futuro brillante, la sociedad requiere tanto

buenos cientficos como una buena tica, pero tambin un pbli-co educado que comprenda la importancia de ambos y las dife-rencias crticas entre ellos.

La vasta cantidad de conocimiento cientfico acumuladodurante siglos de civilizacin le permite al hombre comprendery manipular los aspectos del mundo natural de una forma impo-sible de lograr por otras especies. Estas capacidades planteandesafos, oportunidades y, en especial, responsabilidades. A con-tinuacin se analiza de qu manera el conocimiento biolgicopuede afectar la formulacin de las polticas pblicas.

1.4 Cmo inf luye la b io loga en laspo l t icas pb l icas?El estudio de la biologa ha tenido implicancias fundamenta-

les para la vida humana. La agricultura y la medicina son dosactividades importantes que dependen del conocimiento biol-gico. Nuestros antepasados aplicaron sin saberlo principios de

biologa evolutiva al domesticar las plantas y los animales.Desde tiempos remotos el hombre ha especulado acerca del ori-gen de las enfermedades y buscado mtodos para combatirlas.Mucho antes de que se conocieran sus causas, ya se reconoca

16 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

El mtodo de investigacin cientfica comienza con laformulacin de hiptesis basadas en las observaciones ylos datos. Para probar las hiptesis, se realizan experi-mentos comparativos y controlados.

Es posible explicar la relacin entre la hiptesis y unexperimento? Vase p.14

Qu aspectos caracterizan a las preguntas que puedenresponderse nicamente mediante una aproximacincomparativa? Vanse p. 14 y Figura 1.13

Qu se controla en un experimento controlado? Vansep. 15 y Figura 1.14

Por qu los argumentos deben estar respaldados pordatos cuantificables y reproducibles para poderlos consi-derar cientficos? Vase p. 16

REVISIN 1.3

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que las enfermedades podan ser transmitidas de una persona aotra. El aislamiento de los pacientes infectados se practica desdetiempos pasados, al menos desde cuando se dispone de regis-tros escritos, aunque la mayora de las llamadas curas no fueroneficaces hasta que los cientficos hallaron la etiologa de lasenfermedades.

En la actualidad, gracias al desciframiento de los genomas y ala capacidad de manipularlos, existen nuevas y amplias posibili-dades para el mejoramiento del control de las enfermedadeshumanas y de la productividad agrcola. Al mismo tiempo,dichas capacidades han abierto problemas ticos y polticos rela-cionados.

En qu extensin y de qu forma deberamos jugar con lagentica humana y de otras especies? Qu reglas deberangobernar la liberacin en el ambiente de organismos modificadosgenticamente? La ciencia por s sola no puede dar respuestas aestas preguntas, si bien las decisiones polticas sabias deben

basarse en una informacin cientfica adecuada.Otra razn para el estudio de la biologa es la comprensin de

los efectos que causa sobre el ambiente el enorme crecimientode la poblacin humana. Nuestro uso de los recursos naturalesest llevando a un lmite la capacidad de los ecosistemas terres-tres para continuar produciendo algunos bienes y servicios delos cuales depende la sociedad. Las actividades humanas estn

cambiando el clima global, causando la extincin de un grannmero de especies y diseminando nuevas enfermedades, a lavez que facilitan el resurgimiento de algunas ya conocidas. Porejemplo, la rpida dispersin de los virus SARS y del NiloOccidental fue facilitada por los medios de transporte modernosy el reciente resurgimiento de la tuberculosis es el resultado de laevolucin de bacterias que se han vuelto resistentes a los antibi-ticos. El conocimiento biolgico es vital para determinar las cau-sas de estos cambios y para disear polticas sabias para tratar-los. El conocimiento biolgico tambin ayuda a las personas aapreciar la maravillosa diversidad de los organismos vivos queproveen bienes y servicios a la humanidad y que enriquecenesttica y espiritualmente nuestras vidas.

Los bilogos son consultados cada vez con mayor frecuenciapara asesorar a las agencias de gobierno en lo que concierne a

leyes, reglas y regulaciones mediante las cuales la sociedadmaneja un nmero creciente de problemas y desafos que tienen,al menos parcialmente, una base biolgica. Como ejemplo delvalor del conocimiento cientfico para la adecuacin y formula-cin de polticas pblicas, volvamos al estudio del registro del

atn de aletas azules presentado en la Seccin 1.3. Antes de realizacin de este estudio, tanto los cientficos como los pescdores saban que los atunes de aletas azules tenan un sitio dapareamiento en el atlntico occidental, en el Golfo de Mxicy otro en el atlntico oriental, en el Mar Mediterrneo. El excede pesca estaba poniendo en peligro la poblacin del sitio dapareamiento occidental. As como los peces tenan regionde apareamiento geogrficamente separadas, todos supusieroque tambin tenan lugares de alimentacin separados; por tanto, una comisin internacional traz una lnea a travs de zona media del Atlntico y estableci estrictas cuotas de pesen el lado occidental de esta lnea. La intencin era permitir recuperacin de la poblacin occidental. Sin embargo, nuevdatos revelaron que, de hecho, las poblaciones oriental y occdental de atunes de aletas azules se mezclaban libremente en lterritorios de alimentacin (y, por consiguiente, de pesca) a largo de todo el Atlntico Norte (Figura 1.15). En consecuenciun pez capturado en el lado oriental de la lnea podra provende la poblacin de la regin de apareamiento occidental, dmodo que la poltica establecida no era la adecuada para logrla meta buscada.

A travs de este libro compartiremos el excitante estudio dlos seres vivos e ilustraremos el rico conjunto de mtodos quemplean los bilogos para determinar por qu el mundo de l

seres vivos funciona como tal. La motivacin ms importante dla mayora de los bilogos es la curiosidad. Las personas se facinan por la riqueza y la diversidad de la vida y desean aprendms acerca de los organismos y de la forma como interactaunos con otros. Esta condicin de curiosidad de los seres humnos podra considerarse incluso adaptativa y puede haber sid

1. 4 CMO INFLUYE LA B IOLOGA EN L AS POLTICAS PBLICAS? 1

1.15. Los atunes de aletas azules no reconocen las lneastrazadas en los mapas por las comisiones internacionalesC omo se supona que las poblaciones de apareamiento de atu-

nes de aletas azules occidental (puntos rojos) y oriental (puntos

dorados) tambin se alimentaban en sus respectivos sectores d

ocano A tlntico, se establecieron cuotas diferentes de pesca a

uno y otro lado de la longitud 45O este (lnea de puntos). S e

crea que esto iba a permitir la recuperacin de la poblacin occ

dental. Sin embargo, los datos de registros electrnicos mostra-

ron que las dos poblaciones se mezclaban libremente, en espe-

cial en las aguas con sobrepesca de la zona ms septentrional

del Atlntico (crculo celeste), de modo que la poltica aplicada n

protega a la poblacin occidental.

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1. Aun si supiramos todas las secuencias de genes de un organismounicelular y pudiramos hacer que se expresaran en un tubo de ensa-yo, todava no podramos crear uno de esos seres en el laboratorio.Por qu cree que esto es as? Ala luz de este hecho, qu piensa acer-ca de la afirmacin de que el genoma contiene toda la informacinpara una especie?

2. Si alguien le contara que las jirafas desarrollaron cuellos largos por-que se estiraron para alcanzar hojas ubicadas cada vez ms altas enlos rboles, cmo podra usted ayudar a la persona a pensar msadecuadamente acerca de las jirafas en trminos de evolucin y deseleccin natural?

3. En el descubrimiento reciente de que los genes controlan el color dela piel en el pez cebra, por qu los bilogos presuponen que los mis-mos genes podran ser tambin responsables del color de la piel en losseres humanos?

4. Por qu resulta tan importante en ciencia disear y realizar ensayoscapaces de falsear una hiptesis?

5. Qu aspectos caracterizan a los interrogantes que pueden ser res-pondidos nicamente mediante una aproximacin cuantitativa?

seleccionada, porque cabe pensar que los individuos que estabanmotivados a aprender acerca de su ambiente tal vez hayan sobre-vivido ms y se hayan reproducido mejor, en promedio, que susparientes menos curiosos.

Numerosos interrogantes todava no tienen respuestas y losnuevos descubrimientos suelen originar nuevas preguntas queantes nadie se cuestion. Quiz algunos de nuestros lectores seplanteen y respondan a uno o ms de esos interrogantes.

18 CAPTULO 1 EL ESTUDIO DE LA VIDA

Qu es la biologa?La biologaes el estudio de la vida en todos los niveles de organizacin,

que van desde las molculas hasta la biosfera.

La teora celular establece que toda la vida se compone de clulas y quetodas las clulas provienen de otra preexistente.

Todos los organismos vivos se hallan relacionados entre s a travs de ladescendencia con modificaciones. La evolucinpor seleccin naturales responsable de la diversidad deadaptacioneshalladas en ellos.

Las instrucciones para una clula estn contenidas en sugenoma, el cualconsiste en molculas de DNA construidas a partir de secuencias denucletidos. Los segmentos especficos de DNA llamados genes con-tienen la informacin que la clula utiliza para fabricar protenas.

Vase Figura 1.4.Las clulas constituyen las unidades de vida estructurales y funcionales

bsicas. La mayora de las reacciones qumicas de la vida tienen lugaren las clulas. Los organismos vivos controlan su medio interno.

Tambin interactan con otros organismos de la misma especie o deotras diferentes. Los bilogos estudian la vida en todos estos nivelesde organizacin. Vanse Figura 1.6 y Actividad 1.1 en elsitio web

El conocimiento biolgico obtenido de un sistema modelo puede gene-ralizarse a otras especies.

Cmo se relaciona toda la vida sobre laTierra?

Los bilogos usan los fsiles, las similitudes y diferencias anatmicas ylas comparaciones moleculares de genomas para reconstruir la histo-

ria de la vida. Vase Figura 1.9.La vida se origin en primer lugar como una evolucin qumica. La evo-

lucin biolgica comenz con la formacin de las clulas.

La fotosntesis represent un importante paso evolutivo porque provocun cambio en la atmsfera terrestre y proporcion los medios paracapturar la energa lumnica.

Los primeros organismos eran procariontes; aquellos con clulas mscomplejas, llamadoseucariontes, surgieron posteriormente. Las clu-las eucariontes tienen compartimentos intracelulares separados llama-dos orgnulosque incluyen el ncleo, el cual contiene el materialgentico celular.

La relacin gentica entre las especiesse puede representar como unrbol evolutivo. Las especies estn agrupadas en tres dominios:Archaea, Bacteria yEukarya. Los dominios Archaea y Bacteria secomponen de procariontes unicelulares. El domino Eukarya consisteen microorganismos eucariontes (protistas), adems de plantas, hon-gos y animales. Vanse Figura 1.11 y Actividad 1.2 en el sitio web.

Cmo investigan los bilogos la vida?El mtodo cientficousado en la mayora de las investigaciones biolgi-

cas comprende cinco pasos: observar, formular interrogantes, plantearhiptesis, hacer predicciones y probar esas predicciones.

Las hiptesisson las respuestas tentativas a estos interrogantes. Laspredicciones realizadas sobre la base de una hiptesis son contrasta-das mediante observaciones adicionales y dos tipos deexperimentos: comparativosycontrolados. Vanse Figuras 1.13 y1.14.

Los mtodos estadsticos se aplican a los datos para establecer si lasdiferencias observadas son significativas o no, o bien si se puedenexplicar por el azar. Estos mtodos se inician con la hiptesis nulade que no existen diferencias.

La ciencia puede decirnos de qu manera funciona el mundo, aunque nopuede indicarnos lo que debemos o no hacer.

Cmo influye la biologa en las polticaspblicas?Las decisiones sensatas de polticas pblicas deben basarse en informa-

cin cientfica precisa. Los bilogos son convocados a menudo paraasesorar a las agencias gubernamentales en la solucin de importan-tes problemas que tienen componentes biolgicos.

RESUMEN DEL CAPTULO

1.1

1.2

1.3

1.4

ANLISIS

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RESUMEN DEL CAPTULO 1

1. Las anormalidades de las ranas del estudio de Pieter Johnson se aso-ciaban con la presencia de un parsito. Cmo investigara el modoen que este parsito induce la formacin de ranas monstruosas?Ayuda: cuando los renacuajos se hallaban expuestos a los parsitosluego de comenzar a desarrollar patas no mostraban anormalidades.

2. As como todas las clulas provienen de otras preexistentes, las micondrias orgnulos celulares que convierten la energa de los amentos en una forma que puede utilizarse como trabajo biolgicprovienen tambin de una preexistente. Las clulas no sintetizmitocondrias a partir de la informacin gentica nuclear. Qu invetigaciones llevara a cabo para comprender la naturaleza de las mitcondrias?

INVESTIGACIN