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Biologa

Antonio JimenoDoctor en Ciencias Biolgicas. Catedrtico de Instituto

Manuel BallesterosDoctor en Ciencias Biolgicas. Profesor titularde la Universidad de Barcelona

Luis UgedoDoctor en Ciencias Biolgicas. Catedrtico de Instituto

Direccin editorial

Jos Manuel Cerezo

2bachillerato

Santillana

Edicin adaptada a los nuevos programas oficiales

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Presentacin

L a buena acogida que tuvieron las tres ediciones anteriores deltexto de Biologa de COU nos ha animado ahora a escribir estaBiologa para el actual Bachillerato. Hemos intentado hacer un texto ex-positivo claro, riguroso y actualizado que, por su extensin y facilidadde comprensin, sea un instrumento til para el alumno. Se ha preferidoque sea un texto amplio, en el que no falte ninguna informacin bsica,para que as cada profesor pueda seleccionar aquellos aspectos que con-sidere ms relevantes para sus alumnos. Para conseguir este objetivo hasido de gran utilidad la intercalacin de los Documentos y Cuestionarios.

Los Documentos generalmente contienen detalles que no son esen-ciales y cuya segregacin del texto facilita la comprensin de ste. Enotras ocasiones contienen textos de ampliacin, aplicaciones, temas de in-

ters actual o aspectos cotidianos de la Biologa. Los Cuestionarios per-siguen un doble objetivo: por una parte, dado que se aprende ms hacien-do que solamente atendiendo, facilitar la asimilacin de los contenidos, ypor otra, aprender nuevos aspectos que se han introducido a travs de losenunciados. El hecho de que los Documentos y Cuestionarios aparezcanintercalados y no al final de cada tema favorece que se lean o realicen jus-to en el momento adecuado.

Hemos seguido el mismo estilo expositivo, presentando los concep-tos mediante definiciones claras y breves que eviten las malas interpreta-ciones y que permitan construir el pensamiento sin errores. Se han rees-tructurado los contenidos de acuerdo con el nuevo temario, y se hanactualizado algunos aspectos de la actividad enzimtica, de la citologa,de la fotosntesis, de la evolucin de los metabolismos, y sobre todo de laingeniera gentica y de la inmunologa, dados los rpidos avances habi-dos en estos ltimos aos.

El libro tiene 23 temas distribuidos en cuatro bloques. Cada tema seinicia con una pgina introductoria en la que, mediante una gran fotogra-fa y un breve texto, se intenta despertar el inters sobre el tema. Igual-mente, al final de ste, generalmente se propone una prctica de laborato-rio que permite introducir al alumno en el campo de la experimentacin.Es el prembulo procedimental imprescindible para poder proponer des-

pus el diseo de experimentos que permitan evaluar la veracidad de lashiptesis, que es la esencia del mtodo cientfico.

La presente edicin es una versin revisada, corregida y ampliadacon todo un nuevo captulo dedicado a la actividad enzimtica y a la fun-cin hormonal.

Finalmente deseamos dejar constancia de nuestro agradecimiento alequipo editorial y a los doctores Manuel Chiva, Merc Durfort, MiquelLlobera y Llus Serra, profesores de la Universidad de Barcelona.

LOS AUTORES

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11. La Biologa y la sociedad 4

I. Base fsico-qumica de la vida

12. Los bioelementos, el agua y las sales minerales 24

13. Los glcidos 44

14. Los lpidos 60

15. Las protenas 74

16. La actividad enzimtica y la funcin hormonal 90

II. Estructura y fisiologa celular

7. La clula: unidad de estructura y funcin 116

8. Las envolturas celulares, el citoplasma y el centrosoma 132

9. Los orgnulos celulares 146

10. El ncleo y los cromosomas 158

11. La reproduccin celular 172

12. El metabolismo celular. El catabolismo 190

13. Anabolismo auttrofo 208

14. Anabolismo hetertrofo 226

III. Gentica

15. La gentica mendeliana 246

16. El ADN, portador del mensaje gentico 266

17. La duplicacin del ADN 280

18. El ARN y la expresin del mensaje gentico 29019. Mutacin y evolucin 306

20. Los genes y la ingeniera gentica 322

IV. Microorganismos e inmunidad

21. Los microorganismos 340

22. Microorganismos: enfermedades y biotecnologa 358

23.El proceso inmunitario

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24. Anomalas del sistema inmunitario 396

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ndice

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INFORMACIN

1 La Biologa y los seresvivos.Caractersticas de los seres

vivos. Los nivelesde organizacin biolgica.Clasificaciny nomenclatura de losseres vivos. La Biologacomo ciencia.

2 El mtodo cientfico.

3 Hiptesis sobreel origen de la vida.La formacin demonmeros y polmerosen la Tierra primitiva. Laevolucin protobiolgica.

Los primeros seres vivos.Evolucin de los primerosseres vivos.

4 La Biologa a travsde la historia.

5 La Biologa hoy.La investigacin biolgicapura y aplicada.Biologa y Medicina.Biologa industrial. Biologaagrcola y ganadera.Biologa y medio

ambiente.

ACTIVIDADES

1La Biologay la sociedad

Las Ciencias Biolgicas tienen una extraordinaria importancia no slo en smismas sino por sus relaciones con otras reas de la ciencia. Algunos descu-brimientos de la Biologa como la capacidad de producir antibiticos en cier-tos microbios, la manera como se transmiten los caracteres hereditarios, o elsimple conocimiento de la diversidad y estructura de los seres vivos han tenidouna gran importancia en el desarrollo de otras ciencias como la Medicina, laAgricultura y la Ganadera, o la Paleontologa, respectivamente. Los conoci-

mientos de las Ciencias Biolgicas, y los que aportan otras ciencias como laQumica y la Fsica, permiten explicar el funcionamiento de los fenmenos vi-tales en la Tierra.

N D I C E N D I C E

Ganado vacuno estabulado en el estado de Falcn, Venezuela.La mejora de razas, como la del ganado vacuno, para conseguir mayor produccin decarne o leche, ha sido posible gracias a los avances en el campo de la Gentica,

una de las ramas de la Biologa.

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1 La Biologa y los seres vivosLa Biologa es la ciencia que estudia la vida

(bios vida;logos estudio). Si analizamos los tr-minos de esta definicin encontramos que:

La Biologa es una ciencia porque su finalidades el estudio razonado de la materia, en este ca-so de la materia viva.

La vida es el conjunto de cualidades propias delos seres vivos. stos se definen como seresque poseen una compleja estructura material yson capaces de nutrirse, relacionarse y reprodu-cirse, las tres funciones vitales.

La Biologa, por lo tanto, estudia los seres vivosen todas sus formas y niveles, desde los seres unice-lulares a los pluricelulares, desde los seres microsc-picos a los macroscpicos, sean de naturaleza vegetalo animal, desde las clulas a las asociaciones de seresvivos. Tampoco las molculas escapan al estudio dela Biologa, no slo aquellas que por su complejidadson exclusivas de los seres vivos (las biomolculasorgnicas) sino tambin aquellas ms simples quetambin tienen importantes misiones en ellos (lasbiomolculas inorgnicas).

1. Caractersticas de los seres vivos

Los seres vivos u organismos son necesariamentecomplejos. Su complejidad afecta, entre otros aspec-tos, a las molculas que los componen y a cmo seorganizan stas en asociaciones macromolecularespara formar las diferentes estructuras de los seresvivos.

Los seres vivos se componen de clulas. Para al-gunos seres vivos, una clula es el propio organismo,por lo que se denominan seres unicelulares; otros, encambio, se componen de muchas clulas, por lo que

se llaman seres pluricelulares. La nutricin es la capacidad que tiene el ser vi-

vo de captar materia del exterior y utilizarla enprovecho propio, para crecer en tamao y paradesarrollarse (cambiar de morfologa durante lavida) o bien simplemente para mantener su es-tructura y realizar las dems funciones vitales.

La relacin es la capacidad de captar estmulosdel exterior y emitir respuestas adecuadas a losmismos. Sin esta funcin, los seres vivos seranincapaces de nutrirse y de reproducirse.

La reproduccin es la capacidad de originarnuevos individuos, iguales o muy parecidos alos progenitores.

En relacin con estas funciones cabe destacarque:

Las molculas de los seres vivos no son estti-

cas sino que reaccionan y estn en constantetransformacin, para la obtencin de energa opara la construccin de estructuras propias. Elconjunto de estas reacciones qumicas se deno-mina metabolismo.

Los seres vivos deben su estructura corporal ala informacin biolgica contenida en las mo-lculas de los cidos nucleicos. Cada una de es-tas informaciones se denomina gen. Los genesque contiene un ser vivo son hereditarios, esdecir, pasan de un ser vivo a sus descendientes.

Los seres vivos mantienen relativamente cons-tante su medio interno, aun cuando el medioambiente sea variable, lo que se denomina ho-mestasis.

2. Los niveles de organizacin biolgica

Al observar la materia viva se pueden distinguirvarios grados de complejidad estructural, que son los

denominados niveles de organizacin. Cada uno deellos proporciona unas propiedades a la materia vivaque no se encuentran en los niveles inferiores. Los

Grupo de lobos marinos. Los seres vivos pertenecien-tes a una misma especie encuentran muchos beneficios alagruparse.

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siete niveles de organizacin son: el nivel subatmi-co, el nivel atmico, el nivel molecular, el nivel celu-lar, el nivel pluricelular, el nivel de poblacin y el ni-vel de ecosistema. Los niveles subatmico, atmico ymolecular son niveles de organizacin abiticos, esdecir, niveles de materia que tambin existen en losseres inanimados. Los restantes niveles son de tipobitico, puesto que ya son exclusivos de los seres vi-vos. Las principales caractersticas de cada uno de es-tos niveles son las siguientes (fig. 3):

1. El nivel subatmico lo integran las partculasms pequeas de la materia, como son los pro-tones, los neutrones y los electrones.

2. El nivel atmico lo componen los tomos. s-tos son la parte ms pequea de un elementoqumico que puede intervenir en una reaccin.Por ejemplo, un tomo de hierro (Fe), un to-mo de oxgeno (O), un tomo de carbono (C),

un tomo de hidrgeno (H), etc.3. El nivel molecular est formado por las mol-

culas, que se definen como unidades materia-les formadas por la unin, mediante enlacesqumicos, de dos o ms tomos, como, porejemplo, una molcula de oxgeno (O2), una decarbonato clcico (CaCO3), etc. A las molcu-las que forman la materia viva se las llamabiomolculas o principios inmediatos, como,por ejemplo, la glucosa (C6H12O6).

Todas las molculas que, bsicamente, estn

constituidas por tomos de carbono unidosmediante enlaces covalentes se denominanmolculas orgnicas, ya que se crea que sola-mente las podan producir los seres vivos. Ac-tualmente se ha logrado la sntesis artificial decompuestos de carbono que nunca aparecen enlos seres vivos, como, por ejemplo, los plsti-cos; por este motivo es preciso distinguir den-tro de las molculas orgnicas entre biomol-culas y no biomolculas.

Dentro del nivel molecular existen varios gra-dos de complejidad o subniveles, como, porejemplo, las macromolculas, los complejossupramoleculares y los orgnulos celulares.

Las macromolculas resultan de la unin demuchas molculas orgnicas en un polmero.Cada una de las unidades que se repiten en elpolmero es un monmero. As, por ejemplo,el almidn (macromolcula) es un polmero deglucosa (monmero) (fig. 2), las protenas(macromolculas) son polmeros formados poraminocidos (monmeros), los cidos nuclei-cos (macromolculas) son polmeros de nu-cletidos (monmeros).

Varias macromolculas pueden unirse en uncomplejo supramolecular, como por ejemplocuando protenas y glcidos se unen para for-mar las glucoprotenas. Adems, los complejossupramoleculares pueden encontrarse asocia-dos formando orgnulos celulares, como loslisosomas, las mitocondrias, los cloroplastos,el retculo endoplasmtico, los ribosomas, elaparato de Golgi, etc. Los orgnulos celulares

no son considerados todava como seres vivos,puesto que carecen de la mayora de las carac-tersticas de los seres vivos anteriormente cita-das.

Los virus son complejos supramoleculares queestn constituidos por dos tipos de macromo-lculas: las protenas y los cidos nucleicos.

4. El nivel celular comprende las clulas. stasson unidades de materia viva constituidas poruna membrana y un citoplasma. Se distinguendos tipos de clulas: las clulas procariotas ylas eucariotas. Las clulas procariotas son las que carecen

de envoltura nuclear. En ellas, por lo tanto,la informacin gentica se halla dispersa enel citoplasma, generalmente ms o menoscondensada en una regin denominada nu-cleoide.

Las clulas eucariotas son las que tienen lainformacin gentica rodeada por una envol-tura nuclear, constituyendo un ncleo biendiferenciado (fig. 4).

Las clulas son las partes ms pequeas demateria viva que pueden existir libres en elmedio. Los organismos unicelulares se compo-nen de slo una clula, que debe desarrollartodas las funciones vitales. Son organismosunicelulares procariotas las bacterias y las ar-queobacterias, mientras que son organismosunicelulares eucariotas los protozoos y las al-gas y hongos unicelulares. En ocasiones, losorganismos unicelulares se asocian formandocolonias, pero stas no se incluyen en el si-

guiente nivel, el pluricelular, ya que cada clu-la sigue realizando individualmente todas lasfunciones.

Las molculas orgnicas suelen tener como esqueletotomos de carbono unidos covalentemente entre s; ade-ms, muchas de ellas son polmeros, es decir, conjuntosformados por la unin de muchos monmeros. En la mo-lcula del almidn, el monmero que se va repitiendo es laglucosa.

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O O O O

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5. El nivel pluricelular abarca a aquellos seresvivos que estn constituidos por ms de unaclula. Dentro de este nivel tambin puedendistinguirse varios grados de complejidad osubniveles: los tejidos, los rganos, los siste-

mas y los aparatos. El propio ser vivo multice-lular puede considerarse como el grado msalto de complejidad de este nivel: el subnivelde organismo pluricelular.

Los tejidos son conjuntos de clulas especiali-zadas muy parecidas, que realizan la mismafuncin y que tienen un mismo origen. Cuandoun organismo pluricelular slo tiene un tipo declulas, se dice que tiene estructura de talo,como ocurre en las algas pluricelulares y loshongos pluricelulares.

Los rganos son las unidades estructurales yfuncionales de los seres vivos superiores. Losrganos estn constituidos por varios tejidos

Microfotografa de una neurona extrada de mdulade gato. Las neuronas (nivel celular) son las unidades bsi-cas del tejido nervioso (nivel pluricelular).

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Niveles y subniveles de organizacin biolgica. Se puede notar cmo en cada paso seincrementa la complejidad y se aaden nuevas propiedades. Se han distinguido 7 niveles.3

1) NIVEL SUBATMICO

Protones

Neutrones

Electrones

BIOSFERA

Seres vivos ysuperficie terrestre.

7) NIVEL DE ECOSISTEMAInteraccin entre la comunidady factores abiticos del biotopo.

COMUNIDAD

Poblaciones de seres vivosdiferentes que habitanen el mismo medio.

Interaccin entre especies:depredacin, parasitismo,simbiosis

6) NIVEL DE POBLACIN

Seres vivos de la mismaespecie que viven en un readeterminada.

Evolucin, organizacin social.

2) NIVEL ATMICO

tomos

3) NIVEL MOLECULAR

MolculasMacromolculas

Capacidad de llevar a cabofunciones biolgicas simples.

ORGNULOS CELULARES

MitocondriasCloroplastosNcleo

Capacidad de llevar a cabofunciones biolgicas complejas.

4) NIVEL CELULAR

La parte ms pequea de materia vivaque puede existir en el medio.

Clula: la parte ms pequea de materia viva

capaz de nutrirse, reproducirse y relacionarse.

5) NIVEL PLURICELULAR

TejidosrganosAparatos

SistemasPropiedades biolgicas complejas: inteligencia,instinto, olfato, vista

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diferentes y realizan un acto concreto. Porejemplo, el corazn est formado por tejidomuscular, tejido epitelial y tejido nervioso y seencarga de bombear la sangre en la circulacinsangunea.

Los sistemas son conjuntos de rganos pareci-dos, ya que estn formados por los mismos te-

jidos, pero que realizan actos que pueden sercompletamente independientes. Por ejemplo,en el sistema muscular hay msculos que mue-ven la cabeza, otros que mueven los brazos,otros que mueven las piernas, etc. Otros siste-mas son el seo, el nervioso y el endocrino.

Los aparatos son conjuntos de rganos quepueden ser muy diferentes entre s, pero cuyosactos estn coordinados para constituir lo quese llama una funcin. Por ejemplo, el aparatodigestivo est formado por rganos tan dife-rentes como los dientes, la lengua, el estmago,

el pncreas, etc., y todos coordinados realizanla funcin de la digestin.

6. Nivel de poblacin. Abarca a las poblaciones.Se entiende por poblacin el conjunto de indi-viduos de la misma especie que viven en unamisma zona y en un momento determinado;por ejemplo, la poblacin de conejos que habi-ta en la actualidad el macizo del Montseny(Catalua). En este nivel se consideran los or-ganismos de la misma especie, no en cuanto aindividuos concretos, sino desde el punto de

vista de las relaciones que entre ellos se esta-blecen, tanto en el espacio como en el tiempo.

7. En el nivel de ecosistema se estudian tanto elconjunto de poblaciones de diferentes seres vi-vos que viven interrelacionadas, la llamada co-munidad o biocenosis, como el lugar, con suscondiciones fisicoqumicas, en donde se en-cuentran, el llamado biotopo. El conjunto debiocenosis y biotopo se denomina ecosistema.El conjunto de ecosistemas de toda la Tierra obiosfera puede ser considerado como el nivel

ms complejo de organizacin de los seresvivos.

3. Clasificacin y nomenclaturade los seres vivos

Para estudiar las numerosas especies de seres vi-vos ha sido necesario ordenarlos en grupos. Se hanrealizado, a lo largo de la historia de la Biologa, al-gunos intentos para ordenar a los seres vivos, de unamanera ms o menos coherente, en grupos que tuvie-

ran caractersticas similares. As, por ejemplo, yaAristteles, en el siglo IV a.C., dividi los seres vivosen dos grandes grupos, el de los vegetales y el de los

animales. Sin embargo, se puede decir que el estudiomoderno y sistematizado de los seres vivos comenzen el siglo XVIII, con las ideas del sueco Carl vonLinn (1707-1778), quien estableci agrupaciones

jerarquizadas o taxones de seres vivos y propuso lafamosa nomenclatura binomial para nombrar a lasdiferentes especies.

Los diferentes taxones aceptados en la actualidadson, de menor a mayor, la especie, el gnero, la fa-milia, el orden, la clase, el phylum y el reino. Tam-bin, segn el grupo de ser vivo de que se trate, pue-de haber subtaxones de los anteriores, comosubphylum, subclase, suborden, etc. La parte de laBiologa que estudia la definicin de taxones de seresvivos se llama Taxonoma, y la que estudia la agru-pacin y jerarquizacin de estos taxones se denominaSistemtica.

Cada uno de los tipos de seres vivos, segn la no-menclatura binomial de Linn, viene definido por losdos taxones ms inferiores, el gnero y la especie,que deben recibir un nombre en latn. Por ejemplo, elpez conocido vulgarmente como salmonete de rocase denomina cientficamente Mullus surmuletus; elprimer nombre, Mullus, es el del gnero, mientrasque el segundo, surmuletus, es el de la especie. Comose ve, el nombre del gnero va con la inicial en ma-yscula, mientras que la especie va con la inicial enminscula. Otro pez, muy parecido al anterior, es elsalmonete de fango, que se denomina Mullus barba-tus. Aunque se trata de una especie (barbatus) distin-

ta de la del salmonete de roca (surmuletus), tieneunas caractersticas morfolgicas y embriolgicasmuy parecidas a l, por lo que pertenece al mismo ta-xn genrico (Mullus). Un mismo gnero puede, porlo tanto, incluir a varias especies, pero dos tipos deseres vivos distintos no pueden tener la misma com-binacin de nombres genrico y especfico.

Para completar la nomenclatura binomial de los se-res vivos, a continuacin del nombre especfico debe irel nombre del cientfico que primero efectu la des-cripcin de la especie en cuestin, y a continuacin elao en que fue publicada esta descripcin en una revis-

ta cientfica. En los dos ejemplos anteriores de peces,ambos fueron descritos por vez primera por Linn en1758, de modo que el nombre de este autor y esta fe-cha deben ir a continuacin de los dos nombres latinos.

Varios gneros similares se pueden agrupar en unafamilia, varias familias en un orden y varios rdenesen una clase. Varias clases de seres vivos que tienenun tipo concreto de organizacin corporal constituyenun tipo o phylum. Finalmente, el taxn ms superiores el de reino, que contiene todos los tipos que po-seen un mismo patrn de complejidad estructural.

En la actualidad es aceptada la existencia de cincoreinos: el reino de los mneras, el de los protoctistas, elde los hongos, el de los vegetales y el de los animales.

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El reino de los mneras lo forman seres unicelu-lares procariotas, es decir, los que carecen de n-cleo celular. Son las arqueobacterias y las eubac-terias.

El reino de los protoctistas abarca a seres hete-rtrofos unicelulares de digestin interna comolos protozoos, o auttrofos fotosintticos, unice-

lulares o pluricelulares de organizacin talof-tica (sin tejidos), como las algas.

Los hongos son seres eucariotas, unicelulares opluricelulares de organizacin taloftica, de nu-tricin hetertrofa y digestin externa.

El reino de las plantas o metafitas lo consti-tuyen los organismos eucariotas, pluricelula-res, con tejidos diferenciados y con nutricinauttrofa fotosinttica, como los musgos, loshelechos y las plantas superiores o espermat-fitos.

El reino animal o metazoos abarca los seresvivos eucariotas, pluricelulares con tejidos bienformados y de nutricin hetertrofa; ejemplosde este reino son los animales invertebrados (losmoluscos, los artrpodos, los equinodermos, etc.)y los vertebrados (peces, anfibios, reptiles, avesy mamferos).

Los virus se encuentran en la frontera entre lamateria viva y la inanimada. Pese a presentar lafuncin de reproduccin, no son consideradosautnticos seres vivos, sino simplemente mate-ria, que en determinados momentos (cuando seencuentran dentro de clulas vivas) es materiaviva. Los virus que infectan a los animales noinfectan a los vegetales ni a las bacterias, y vice-versa. Se puede considerar a los virus como par-te de los organismos a los que infectan, que sehan independizado de ellos, y que pueden llevaruna vida distinta. Por este motivo no constitu-yen una lnea filogentica distinta de los cincoreinos anteriores y, por lo tanto, no constituyenun reino (figura 5).

4. La Biologa como ciencia

La Biologa es una ciencia extremadamente am-plia no solamente porque se encarga de estudiar to-dos los grupos de seres vivos, sino porque adems lohace desde diferentes puntos de vista. As, los seresvivos pueden ser estudiados desde el punto de vistade su forma y estructura, de su funcionalismo, de sucomportamiento, de su desarrollo o del tipo de seresde que se trate. Todo ello determina que la Biologa

tenga diferentes ramas con un objetivo concreto (cua-dro I). Realmente se debe hablar ms bien de Cien-cias Biolgicas que de ciencia de la Biologa.

ocumento 1D

ocumento 2D

Nomenclaturay taxonomade la jirafa, Giraffacamelopardalis,Linn, 1758.Reino animal:phylum cordados,subphylumvertebrados,clase mamferos,orden artiodctilos,

familia jirfidos,gnero Giraffa,especieG. camelopardalis.

El comienzo de la clasificacincientfica moderna

En la segunda mitad del siglo XVIII destaca en elmundo de las ciencias naturales el sueco Carl von Lin-n (1707-1778), fijista y aristotlico, que perfeccion

la nomenclatura de los seres vivos iniciada por Ray yestableci el sistema de nomenclatura binomial de lasespecies actualmente en uso. Su obraSystema naturae(1735, primera edicin), en la que nombraba y clasifi-caba a los animales y las plantas, sirvi de base para lasistemtica moderna.

La filogenia molecular y la ordenacinde los seres vivos

Recientemente se ha propuesto otra manera de divi-

dir a los seres vivos en macroagrupaciones o dominiosbasndose en la informacin que proporciona el estu-dio de la secuenciacin molecular de los cidos nuclei-cos, principalmente del ARN ribosmico. La filogeniamolecular, como se conoce a este mtodo de ordena-cin, determina la existencia de slo tres grupos o do-minios de seres vivos: el de los Archaea, que agrupa atodas las arqueobacterias, el de las Bacteria, donde seincluyen todas las eubacterias, y el de los Eucarya, don-de tienen cabida todos los dems seres vivos, es decir,los eucariotas. Estos tres tipos de seres vivos se habranoriginado muy temprano en la evolucin de la vida apartir de un ancestro muy arcaico, no se sabe si proca-riota o eucariota. Los eucariotas primitivos evolucio-naron y dieron lugar a los protozoos, las algas y a loseucariotas superiores, las plantas y los animales.

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Los cinco reinos de seres vivos.5

Rama Objeto de su estudio Rama Objeto de su estudio

Anatoma Estructura de los seres vivos Gentica Herencia de los caracteres biolgicos

Biofsica Procesos fsicos en los seres vivosGentica Herencia de los caracteresde poblaciones en una poblacin de seres vivos

Bioqumica Composicin qumica de la materia viva Histologa Estructura y funciones de los tejidosBotnica Los seres vegetales Microbiologa Seres microscpicos

Citologa Estructuras y funciones de las clulas MorfologaForma y origen embriolgicode las estructuras de los seres vivos

Ecologa Los ecosistemas Organografa Estructura de los rganos

Embriologa Desarrollo de los vulos fecundados Paleontologa La vida en pocas pasadas

Etologa Comportamiento animal SistemticaOrdenacin de los taxonesde los seres vivos

EvolucinModificacin y aparicin de nuevas

TaxonomaAgrupacin de los seres vivos

especies con el tiempo en taxones

FilogeniaRelaciones evolutivas de parentesco

Virologa Los virusentre los seres vivos

Fisiologa Funciones de los seres vivos Zoologa Los seres animales

CUADRO I. Principales ramas de la Biologa.

Angiospermas

Gimnospermas

Licopodios

Equisetos

Algas verdes

Algas

amarillas

Algas pardas

Algas rojas

Arqueobacterias

EUCARIOTAS

PROCARIOTAS

Eubacterias

Protozoosameboides

Flagelados

Esponjas

Platelmintos

MoluscosAnlidos

Insectos

Arcnidos

Reptiles

Aves

MamferosAnfibios

Peces

Equinodermos

CnidariosAscomicetes

MohosMusgos

Helechos

Nematodos Crustceos

Basidiomicetes

Ciliados

METAFITAS ( PLANTAS) METAZOOS ( ANIMALES)

HONGOS

PROTOCTISTAS

MNERAS

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2 El mtodo cientficoComo toda ciencia, la Biologa busca explicar ra-

zonablemente los fenmenos observados en su rea,es decir, en los seres vivos. Adems, tambin intenta

establecer una serie de principios generales por loscuales estos fenmenos se llevan a cabo. Todo esto serealiza mediante un modo de proceder sistemticodenominado mtodo cientfico (fig. 6).

El mtodo cientfico en Biologa comienza cuan-do se buscan respuestas a diversos fenmenos de lanaturaleza. La observacin de la naturaleza conducefrecuentemente a la obtencin de datos difciles deinterpretar inicialmente. As, se llega al plantea-miento de preguntas o interrogantes que es necesa-rio contestar. El mtodo seguido para ello es estable-cer una o ms hiptesis sobre el funcionamiento delfenmeno estudiado.

Las hiptesis, para ser aceptadas o rechazadas, de-ben ser sometidas a tests de experimentacin: setienen que disear diferentes experimentos relacio-nados con el fenmeno estudiado, analizar los resul-tados obtenidos y compararlos con los que se espera-ran si la hiptesis fuera cierta. El anlisis de losresultados de estos experimentos y de otros experi-mentos independientes puede ser suficiente paraaceptar o no las hiptesis iniciales o para estable-cer otras nuevas hiptesis. Finalmente, cuando las

hiptesis han sido repetidamente verificadas por laobservacin y la experimentacin, se procede alenunciado de teoras o modelos de funcionamientodel fenmeno en cuestin.

En ocasiones, algunos fenmenos en Biologa nopueden ser comprobados definitivamente, pero losdatos que se tienen sobre su funcionamiento son tannumerosos y significativos que, a pesar de todo, sepuede hablar de una teora para explicarlo. Tal es elcaso de la teora de la evolucin de las especies, pro-puesta por Darwin: nunca podremos ver con nues-tros ojos cmo una especie se modific y origin otranueva especie, pero hay tantos datos de diferente tipo(paleontolgicos, morfolgicos, embriolgicos, etc.)que se tiene la certeza casi absoluta de que las espe-cies se originan por evolucin.

Uno de los primeros ejemplos de aplicacin delmtodo cientfico tuvo relacin con las ideas sobrela generacin espontnea. La idea de que algunosseres vivos podran originarse directamente de obje-tos inanimados, adems de mediante actos de pro-creacin de sus progenitores, imper en el mundo delas ciencias durante siglos. Aristteles (siglo IV a.C.),

a pesar de los avances que impuls en el mundo delas Ciencias Naturales, eliminando la fantasa queexista en muchos de los tratados de sus predecesores,

y estimulando la observacin de la naturaleza e inclu-so la experimentacin, admita la generacin espont-nea. Esta creencia tuvo tanta aceptacin en la antige-

dad que se llegaron a proponer frmulas para obtenerseres vivos. Las moscas, segn esta idea, provenande la carne en putrefaccin, las anguilas del barro, lasranas de la lluvia, las ratas de la ropa sucia, y de lashojas de algunos rboles, al caer al agua, se formabanpeces y al caer en la tierra se formaban pjaros.

El cientfico italiano Francesco Redi, a comien-zos del siglo XVII, se cuestion seriamente la genera-cin espontnea. En aquella poca era creencia gene-ral que los gusanos aparecan a partir de la carne enputrefaccin; sus propias observaciones indicaban

que los gusanos aparecan en la carne pasados variosdas despus de que las moscas se posaran en ella.Relacion la aparicin de gusanos con la presenciade moscas y elabor una hiptesis al respecto: losgusanos proceden de moscas que ponen huevos en lacarne podrida. Para ver si su hiptesis era cierta o no,dise unos experimentos, que se han hecho famo-sos, con los que pudo comprobar que los gusanos s-lo aparecan en la carne a la que haban tenido accesolas moscas. Con estos resultados y con los de otrosexperimentos similares que llegaron a la misma con-clusin, Redi estableci una teora: los gusanos de la

carne no se originan espontneamente de la materiamuerta sino que se forman a partir de moscas que po-nen sus huevos en la carne (fig. 7).

Esquema de los pasos seguidos en el mtodo cientfico.6

Recogida de informacin:observacin del fenmeno,planteamiento de preguntas

Formular hiptesis

Diseo de experimentos

Realizacinde experimentos

Anlisis de losresultados obtenidos

Extraccin de conclusiones

Resultadosde experimentosindependientes

Aceptacin o rechazode la hiptesis

Repetidasverificaciones

Resultados esperados(si la hiptesisfuera correcta)

Comparacin

EXPERIMENTACIN

Enunciado de teoras

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12

Estos experimentos sirvieron para empezar a reba-tir la idea de la generacin espontnea, pero no con-vencieron a todos los cientficos de la poca. Comopor ejemplo, T. Needham, cientfico del siglo XVIII,que tras introducir tejidos animales y vegetales enfrascos hermticos y calentarlos, haba observado laaparicin de microorganismos, por lo que defendi la

generacin espontnea para los microbios. Posterior-mente Spallanzani demostr que si se evitaba la pre-sencia de aire en los frascos calentados, no aparecanmicrobios. Contra ello se dijo que era precisamentepor falta de aire por lo que no aparecan.

Quien finalmente contribuy a desmontar estateora fue el microbilogo francs Louis Pasteur.Este cientfico realiz en 1860 un experimento simi-lar al que efectu Redi, doscientos aos antes. Pas-teur ya saba que en el aire existan pequeas estruc-turas que recordaban a ciertos microbios y a esporas

de hongos, y postul que estos cuerpos se deposita-ban constantemente sobre todos los objetos y eranlos causantes de la descomposicin de los cadveresde los seres vivos. El experimento de Pasteur, bsi-camente, consisti en introducir un caldo de cultivoen un recipiente de cuello estrecho y largo; poste-riormente dobl el cuello en forma de S mediantecalor, dej su extremo abierto y calent el caldo has-ta la ebullicin. Si se dejaba enfriar el caldo, y el re-cipiente se mantena vertical, no se produca conta-minacin microbiana del caldo, incluso despus delargo tiempo. Pero si el recipiente se inclinaba hasta

que el caldo contactaba con la abertura del cuello(cargada de microbios), en poco tiempo se producala contaminacin del caldo por microbios. Con ello,

Pasteur demostr que la falta de crecimiento en elrecipiente vertical no era debida a la destruccin dealgn principio vital por el calentamiento del cal-do sino a la ausencia de contaminacin de bacteriasdel aire (fig. 8). Se dio, pues, el portazo final a la hi-ptesis de la generacin espontnea: los seres vivosproceden de otros seres vivos.

Experimentos de Redi sobre la generacin espontnea. Inicialmente (a), Redi coloc res-tos de seres vivos en dos recipientes: uno de ellos lo mantuvo abierto y en el otro sell suabertura con cera. Comprob que slo en el abierto, en donde podan entrar moscas adultas,aparecan gusanos en la carne podrida. En un experimento posterior (b) efectu el mismoproceso, pero esta vez el segundo recipiente lo tap con un trozo de gasa, por lo que no po-dan entrar las moscas, pero s el aire fresco. Volvieron a aparecer gusanos sobre la carne enputrefacin del recipiente abierto, mientras que no aparecieron en la carne del recipiente cu-

bierto de gasa. Con este segundo experimento, Redi comprob que no es la ausencia de airefresco lo que impide la presencia de gusanos en la carne sino el impedimento que tienen lasmoscas para poner huevos en la carne del recipiente cubierto de gasa. La conclusin a la quelleg Redi es que los gusanos provienen de las moscas y no de la generacin espontnea.

7

Experimento de Pasteur.8

a bMoscas Abertura selladacon cera

Carne con gusanos Carne sin gusanos Carne con gusanos Carne sin gusanos

Polvoy microbiosretenidos

Frasco vertical.El caldo permanece

sin microbios.

Frascoinclinado

Caldocontaminado

con microbios

Caldo vertido

en el frasco

Cuello del frascocurvado con calor

Hervidodel caldo

Abertura cerradacon gasa

5

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13

Se calcula que la Tierra se form hace unos 4.500millones de aos. Este proceso dio lugar a una corte-za slida rodeada por una atmsfera reductora, pues-to que careca de oxgeno. Se cree que la atmsferaprimitiva se compona principalmente de metano,amoniaco, dixido de carbono, hidrgeno y vapor deagua. Se supone adems que los gases de esta atms-fera estaban sometidos a los efectos de la radiacinsolar, de descargas elctricas y de erupciones volc-nicas. En esta etapa tan arcaica se inici la evolucinabitica en la que se form el medio fsico-qumico

que luego sirvi de alimento a los primeros seres vi-vos. Debi de ocurrir tambin una evolucin bioqu-mica en la que molculas inorgnicas de la Tierraprimitiva reaccionaron para formar las primeras bio-molculas orgnicas (monosacridos, aminocidos,nucletidos, etc.). El modo sobre cmo se originaronlos primeros seres vivos, en forma de clulas de es-tructura muy primitiva, no est todava aclarado. Sehan establecido una serie de hiptesis para explicarlo.

1. La formacin de monmerosy polmeros en la Tierra primitiva

En la dcada de los cincuenta, los investigadoresamericanos Miller y Urey disearon un aparato conel que simularon las condiciones que se supone po-sea la atmsfera primitiva de la Tierra (fig. 9). Intro-dujeron en el recipiente esfrico diversos gases comometano, amoniaco, hidrgeno y vapor de agua y lossometieron durante varios das a descargas elctri-cas. Posteriormente comprobaron que en el recipientecon agua haban aparecido molculas orgnicas sen-

cillas como aminocidos, aldehdos y cidos carbox-licos. Aos ms tarde, otros cientficos como el espa-ol Juan Or y el norteamericano Fox realizaron

experimentos similares y lograron obtener otros mo-nmeros como monosacridos, urea, cidos grasos ynucletidos.

De acuerdo con estos resultados, se admite que encondiciones semejantes, a partir de la atmsfera pri-mitiva, se sintetizaron las primeras biomolculas or-gnicas, que luego se fueron depositando sobre la su-perficie terrestre y que luego fueron arrastradas hastael mar, formndose la sopa o caldo primitivo.

Se piensa que los primeros polmeros de biomol-culas se formaron cuando se concentraron molculas

de monmeros en el caldo primitivo, sobre todo enlas orillas del mar primitivo y de los lagos continen-tales, por evaporacin del agua. Se cree que para ello

3 Hiptesis sobre el origen de la vida

CUESTIONARIO 1

1. Indica las tres caractersticas ms importantes que defi-nen a los seres vivos.

2. Seala algunas propiedades que tengan en comn losseres inanimados y los seres vivos.

3. Ordena los siguientes conceptos, de los ms complejosa los ms simples: clula, electrn, poblacin, tomo,hormiga, protena, bosque, mitocondria.

4. Indica los niveles de organizacin que tiene un grupode clulas en la que stas son todas iguales y cada unadesarrolla todas las funciones.

5. Busca en enciclopedias generales a qu taxones (des-de phylum hasta especie) pertenecen los seres vivossiguientes: salmonella, coral rojo, ciprs, caracol dehuerta, nscalo, saltamontes, levadura, sargazo, sardi-na, especie humana.

6. Qu es lo que estudian la Histologa, la Anatoma,la Morfologa y la Fisiologa?

7. Indica cmo aplicaras el mtodo cientfico para probarla siguiente afirmacin: la administracin de vitaminaC reduce la incidencia del resfriado comn.

Esquema del aparato del experimento de Miller. 1, 2,3: vlvulas para extraer muestras.9

+Electrodo

H2O NH3CH4 H2

Descargas elctricas

Condensador

Algunos compuestos que sesintetizan en el experimento: Formaldehdo: HCHO cido actico: CH3COOH cido lctico: CH3CHOHCOOH Glicina: NH2CH2COOH Cianuro de hidrgeno: HCN Urea: H2NCONH2

1

2

Resistencia

Matraz

con agua

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fueron de gran importancia las arcillas de los sedi-mentos de mares y lagos, pues tienen una gran super-ficie de adsorcin, lo que pudo facilitar que ciertasmolculas de monmeros se unieran a ellas y estaspartculas de arcillas sirvieran de centros catalticosde las reacciones de sntesis de polmeros. Al concen-trarse los monmeros, stos empezaron a unirse me-diante enlaces qumicos formando biomolculas mscomplejas o polmeros, como las protenas, origina-das a partir de la unin de muchos aminocidos, loscidos nucleicos, compuestos de nucletidos, y lasmembranas de fosfolpidos, capaces de formar es-pontneamente esferas que engloban agua.

2. La evolucin protobiolgica

Se conoce con este nombre el proceso de transfor-macin progresiva de los polmeros del caldo primiti-

vo hasta llegar a la formacin de las primeras clulas.Se han propuesto diversas teoras, no excluyentes,sobre el origen de la vida en la Tierra:

a) La hiptesis de los coacervados. El investiga-dor sovitico Oparin fue el primero en indicarla necesidad de una evolucin qumica previa ala aparicin de la vida y propuso, en la segundadcada de este siglo, los coacervados comoprecursores de los seres vivos en la Tierra. Esteinvestigador define los coacervados como mi-croscpicas gotas formadas por una envolturade polmeros y un medio interno en el que po-

dran existir enzimas, que quedaran aisladasdel exterior. Los coacervados se habran forma-do en el caldo primitivo al ponerse en contactoespontneamente los polmeros en solucinacuosa. Segn Oparin, los coacervados posee-ran un metabolismo muy sencillo al disponerde molculas catalticas como enzimas, lo queles permitira crecer al captar molculas del ex-terior y dividirse al adquirir un determinado ta-mao o tamao crtico (fig. 10). Oparin logrobtener coacervados en el laboratorio y al aa-dirles enzimas procedentes de otras clulas, co-mo la enzima fosforilasa, consigui que se bio-sintetizaran, que crecieran y que se dividieran.Esta hiptesis no explica el origen de las enzi-mas internas de los coacervados ni cmo po-dran evolucionar los coacervados, al carecerstos de informacin gentica.

b) La hiptesis de las microesferas proteinoi-des. En la dcada de los setenta, intentando en-contrar un tipo de coacervado con actividadenzimtica propia, el cientfico americano Foxpropuso las microesferas proteinoides como

precursoras de los seres vivos. Segn Fox, enlas regiones volcnicas de la Tierra primitivaprximas al mar, las mezclas de aminocidos

del caldo primitivo se calentaron a temperatu-ras de entre 130 y 180 C y posteriormente sedesecaron, formndose polmeros, a los que

Fox llam proteinoides termales. Este hechose ha comprobado experimentalmente en ellaboratorio. Estos polmeros de aminocidosforman pequeas gotitas, las microesferas.stas tendran una cierta capacidad catalticadebida a la presencia de molculas enzimticasen su interior. Seran tambin capaces de cap-tar energa a partir de la ruptura de enlaces demolculas del exterior y se podran dividir me-diante procesos de escisin o de gemacin.Aunque las microesferas de Fox probablemen-te hayan sido las precursoras de los primeros

seres vivos o protobiontes, esta hiptesis tam-poco explica la transmisin de informacin ge-ntica y por lo tanto la evolucin hacia los se-res vivos. Se cree que en aquella fase tantemprana de la evolucin protobiolgica debide originarse alguna molcula capaz de teneractividad cataltica.

c) Hiptesis sobre el primer gen. No se sabe aciencia cierta cmo apareci la primera molcu-la capaz de autorreplicarse y que tuviera la in-formacin de cmo controlar catalticamente

todos los procesos que se daban en el protobion-te. Probablemente, la primera de estas molcu-las que tuvo informacin biolgica, los genes,

Coacervado formado por una envoltura de polisacri-do (almidn) y por protena cataltica (fosforilasa). El mo-nmero glucosa-1-fosfato, aadido al medio donde seencuentran los coacervados, entra en el medio interno delcoacervado y se une al polmero de almidn gracias a laaccin de la enzima fosforilasa. Esta polimerizacin haceque el coacervado vaya aumentando de volumen y, al lle-gar a un tamao determinado (tamao crtico) se divideen dos coacervados hijos. Este crecimiento y divisin delos coacervados se va produciendo siempre que haya en elmedio enzima fosforilasa y glucosa-1-fosfato.

10

Membrana de polisacrido

P

P P

P

Glucosa1-fosfato

Fosforilasa

Almidn

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15

fue un ARN que tendra capacidad de autorre-plicacin y adems funcin cataltica. La evo-lucin funcional posterior del protobionte de-terminara que la molcula de ARN cediera lafuncin de contener la informacin gentica ala molcula de ADN, ms estable; las funcio-nes catalticas seran otorgadas a las protenasenzimticas del protobionte, cuyas secuenciasde aminocidos estaran codificadas por el pro-pio ADN. El ARN perdi, de esta manera, supapel de molcula principal. En los organis-mos actuales, el ARN aparece como molculaintermediaria entre el ADN y las protenas. Sepiensa que, una vez adquirida la informacingentica, los protobiontes, constituidos poruna doble membrana de fosfolpidos en cuyointerior haba cidos nucleicos, protenas yglcidos dispersos en agua, evolucionaron has-ta alcanzar la estructura celular, en una atms-

fera exenta de oxgeno.Tampoco se sabe qu apareci primero, si elprotobionte o la molcula con informacin ge-ntica, el llamado gen desnudo. A propsitode esto existe, an hoy, la antigua polmica en-tre Oparin y el cientfico britnico Haldane:mientras Oparin opinaba que el primero enaparecer fue el protobionte, Haldane era parti-dario de que primero apareci el gen desnudoy posteriormente se formaron los protobiontes,que incorporaron a estas molculas con infor-macin gentica.

3. Los primeros seres vivos

No se sabe exactamente cmo se form el primertipo de ser vivo. Incluso existe una hiptesis, la de lapanspermia, que apuesta por un origen extraterrestrede la vida en la Tierra. La panspermia fue propuestainicialmente por Arrhenius a finales del siglo XIX;este fsico-qumico sueco sostuvo que los primerosseres vivos de la Tierra llegaron a ella en forma de es-poras (o panspermia) procedentes de otros planetas,

habindose trasladado por el espacio. Otros autoresms modernos, como Crick, quien junto con Watsondescubri la estructura molecular del ADN, y Hoyle,tambin apuestan por un origen extraterrestre de lavida sobre la Tierra. En 1969, analizando la composi-cin qumica de los restos de un meteorito cado enAustralia, se pudo comprobar la presencia en ellos dediversas molculas orgnicas como aminocidos, pi-rimidinas y otras muy parecidas a cidos grasos, loque supuso un refuerzo para esta hiptesis. En 1996,se encontraron, en meteoritos procedentes del planetaMarte, lo que parecen ser restos de seres vivos muy

primitivos parecidos a las bacterias actuales. La pans-permia explica la aparicin de la vida en la Tierra,pero no el origen de la vida misma.

Aunque queda la incgnita sobre el origen del pri-mer ser vivo en la Tierra, s que se tienen abundantesdatos sobre cmo fueron los primeros organismos quehabitaron en ella. La Paleontologa o estudio de losfsiles (restos de seres vivos que vivieron en otraspocas) es una herramienta extraordinariamente tilpara ello. Los organismos ms antiguos que se cono-cen han aparecido en rocas de Australia y Sudfricadatadas en 3.500 millones de aos. En estas rocas sehan encontrado fsiles de microorganismos procario-tas muy parecidos a cianobacterias filamentosas. Enotras formaciones fsiles, de la misma antigedad(3.500 ma), llamadas estromatolitos, tambin apare-cen cianobacterias y otros microorganismos de tipobacteriano. Estas formaciones, que se originaron porla compactacin y consolidacin de microorganismosbacterianos entre partculas sedimentarias, tambin seforman en la actualidad en zonas someras de algunosmares clidos (fig. 11).

Se piensa que los primeros seres vivos unicelula-res ya podran haber existido en la Tierra hace unos4.000 millones de aos. La evolucin qumica y pro-tobiolgica, por lo tanto, fue un proceso relativamen-te rpido y se desarroll, segn se cree, en los prime-ros 600 millones de aos de la historia de la Tierra.

El proceso de evolucin orgnica hasta la forma-cin de los primeros seres eucariotas fue muy lento,puesto que durante 1.500 millones de aos (desde ha-ce 3.500 millones de aos hasta hace 2.000 ma) slohubo microorganismos procariotas en la Tierra. Los

primeros eucariotas unicelulares aparecen en rocasdatadas en 2.000 millones de aos y los primeros eu-cariotas pluricelulares en rocas de 1.000 millones deaos. La evolucin orgnica de los eucariotas pluri-celulares fue explosiva, puesto que slo 500 millo-nes de aos despus (hace 500 millones de aos), enel Paleozoico, ya vivan en la Tierra la gran mayorade grupos de animales y plantas vivientes en la actua-lidad y muchos ms que se extinguieron y no han lle-gado a nuestros das (fig. 12).

Fotografa de estromatolitos en Hamelin Pool, BahaShark, Australia.11

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4. Evolucin de los primeros seres vivos

Se calcula que los primeros seres vivos aparecieronhace unos 4.000-3.500 millones de aos (fig. 13). Secree que estos primeros organismos eran procariotashetertrofos fermentadores. Como el proceso fer-mentativo no necesita oxgeno, ste es el metabolismoidneo en una atmsfera sin oxgeno y en un medio ri-co en molculas orgnicas (el caldo primitivo). Cuan-do estas molculas empezaron a agotarse, resultaron

ms aptos aquellos organismos que haban alcanzadola capacidad para utilizar la luz para sintetizar ATP, esdecir, los que eran capaces de realizar la fotosntesisanoxignica, sin desprendimiento de oxgeno, graciasa poseer los denominados fotosistemas tipo I.

Hace unos 3.000 millones de aos aparecieron lascianobacterias, microorganismos que son capaces derealizar la fotosntesis oxignica, con desprendimien-to de oxgeno, gracias a que adems del fotosistema Itienen el fotosistema tipo II con el que descomponenel H2O y liberan oxgeno. Esto conllev al enriqueci-miento en oxgeno de la atmsfera primitiva. Los ra-

yos ultravioleta del Sol transformaron parte de esteoxgeno atmosfrico en ozono, el cual hizo de panta-lla de estos rayos, posibilitando la vida fuera del agua.

La existencia de oxgeno en la atmsfera favore-

ci la aparicin de procariotas quimiosintticos.Estos organismos fueron capaces de oxidar compues-tos inorgnicos en estado reducido, con lo que obte-nan energa, gracias a la reconversin de la cadenatransportadora de electrones de la fotosntesis para sunueva actividad quimiosinttica.

Los primeros fsiles de eucariotas son de haceunos 2.000 millones de aos. Segn la hiptesis au-tgena (fig. 14) de Taylor y Dobson, la clula euca-riota procede de una gran clula procariota que secompartiment mediante membranas, formndose as

los orgnulos celulares (ncleo, retculo endoplasm-tico, vacuolas, etc.). En cambio, segn la hiptesis dela endosimbiosis (fig. 15) de Margulis y Sagan, laclula eucariota procede de una clula procariota an-cestral anaerobia que habra englobado a otras clulasprocariotas, establecindose una relacin de simbio-sis y transformndose, cada una de ellas, en los diver-sos orgnulos celulares. As, se piensa que las mito-condrias habran surgido de bacterias aerobias, loscloroplastos de cianobacterias, los cilios y los flage-los de bacterias espiroquetas, etc.

La gran cantidad de energa que desprende lacombinacin del oxgeno con la materia orgnica fa-voreci que la respiracin aerbica fuera el tipo demetabolismo predominante en los organismos areosy de los que viven en aguas ricas en oxgeno.

Posteriormente, hace unos 1.000 millones de aos,aparecieron los primeros organismos pluricelulares, apartir, posiblemente, de organismos eucariotas uni-celulares, que normalmente formaban grupos tempo-rales denominados colonias y que perdieron la capa-cidad de separarse. Luego, unas clulas de estascolonias se especializaron en una funcin y otras c-

lulas en otras funciones, apareciendo los tejidos. Sepas de una colonia de clulas a un organismo pluri-celular de tipo vegetal o animal.

La escala del tiempo geolgico y los fenmenos de lalitosfera y evolucin orgnica.12

Cronologa aproximada de la aparicin de las prime-ras clulas o seres vivos.13

Miles de millones de aos

Atmsferaoxidante

Atmsfera

reductora

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1

1

2

3

4

5

2 3 4 5

Bacterias anaerobias.

Bacterias fotosintticas.

Bacterias aerobias.

Eucariotas.

Pluricelulares.

ERAS

CENOZOICO Glaciaciones.

Gnesis de cordilleras.Violentas perturbacionesclimticas y geolgicas.

Deriva continental.

Abundantes angiospermas y mamferos.

Abundantes conferas y reptiles.

Rpida evolucin de plantas y animales.

Evolucin de seres pluricelulares.

Primeros seres pluricelulares.

Primeras clulas eucariotas.

Abundantes estromatolitos.

Proliferacin de procariotasfotosintticos.

Acumulacin de oxgenoen la atmsfera.

Mar primitivo.Desarrollo de la atmsferaprimitiva.Formacin de la cortezaterrestre.Formacin de la Tierra.

Fsiles ms antiguos de bacterias.

Primeras clulas.Protobiontes.

Evolucin qumica.

MESOZOICO

PALEOZOICO

PROTEROZOICO

DESARROLLO DE LA TIERRA EVOLUCIN DE LA VIDA

Miles de millones de aos

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

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Aunque la mayora de los principales descubri-mientos en el campo de las Ciencias Biolgicas sehan efectuado en los dos ltimos siglos, aqullos sehan podido producir slo gracias a las aportacionesque se han ido produciendo en los perodos histricosanteriores. La historia de las ideas biolgicas, comola de otras ciencias, no ha tenido una progresinconstante, alternndose pocas florecientes con fasesde estancamiento e incluso de regresin en cuanto aconocimientos. En el cuadro II aparecen las principa-les aportaciones a los conocimientos de las Ciencias

Biolgicas desde la poca griega hasta el siglo XIX.

En el siglo XX se ha producido una aceleracinsin precedentes del progreso cientfico. En Biologa,esta revolucin cientfica se debe tanto a la apari-cin de nuevos aparatos de investigacin, por ejem-plo, el microscopio electrnico que ha permitido es-pectaculares avances en Citologa e Histologa,como al gran aumento de cientficos y de grupos deinvestigacin que se dedican a esta ciencia en todoel mundo. En el cuadro III se ofrece una relacincronolgica de los principales investigadores del si-glo XX y sus aportaciones a las diferentes reas de la

Biologa.

Hiptesis autgena sobre el origen de las clulas eu-cariotas.14 Hiptesis de la endosimbiosis sobre el origen de las

clulas eucariotas.15

4 La Biologa a travs de la historia

poca Autor y principales ideas, obra o descubrimiento

Siglo VI a.C. Jenfanes de Colofn. Explica la presencia de restos de animales marinos en las montaas.

Siglo IV a.C. Aristteles. Considerado el padre de la Zoologa, pues describe y ordena en grupos a numerosos animales.

Siglo II d.C. Galeno. Importantes descubrimientos en el campo de la Medicina.

Siglo XIISan Alberto Magno. Escribi dos grandes obras sobre plantas (De vegetalibus libri) y animales(De animalibus libri)

Siglo XV Leonardo da Vinci. Estudia la anatoma humana.

Siglo XVIAndreas Vesalio. Introdujo nuevos mtodos de estudio de la anatoma humana basados en la diseccin

de cadveres.Siglo XVII Francesco Redi. Rebate experimentalmente la idea de la generacin espontnea.

Siglo XVII Robert Hooke. Introduce el trmino de clula al observar el tejido suberoso del corcho.

Siglo XVII-XVIIIA. van Leeuwenhoek. Perfecciona las lentes de aumento y observa bacterias, protozoos,clulas nerviosas, glbulos rojos, etc.

Siglo XVIII Carl von Linn. Establece el sistema binomial de nomenclatura de los seres vivos.

Siglo XIXJean-Baptiste de Lamarck. Defiende la evolucin orgnica, pero admite la heredabilidadde los caracteres adquiridos a lo largo de la vida.

Siglo XIX Georges Cuvier.Considerado padre de la anatoma comparada animal moderna.

Siglo XIX Charles Darwin. Defiende la evolucin de las especies por seleccin natural.

Siglo XIX Schwann y Schleiden. Enuncian la teora celular.

Siglo XIX Louis Pasteur. Descubre la vacuna antirrbica.

Siglo XIX Gregor Mendel. Publica sus trabajos sobre las leyes de la herencia biolgica.

CUADRO II. La Biologa desde la poca griega hasta el siglo XIX.

Clulaprocariota

Clulaeucariota

Clula procariota ancestralanaerobia

Clulaseucariotas

Clulasprocariotas

Algascianoficeas

Ameboide conmitocondrias

Bacteriasaerobias

Formacin de losrganos celulares

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LA BIOLOGA EN EL SIGLO XX

Ao Autor y descubrimiento

1900 De Vries, Correns y Tschermack.Redescubrimiento de las leyes de Mendel.

1904 Pavlov*. Estudia la fisiologa de la digestin.

1905Koch*. Descubre el bacilo que producela tuberculosis.

1906 Golgi y Ramn y Cajal*. Efectan importantesestudios en el campo de la Citologa.

1911Morgan*. Estudia la recombinacin genticay la elaboracin de mapas cromosmicos.

1924Oparin. Establece su hiptesis del origen abiticode la vida.

1927Mller*. Descubre el efecto mutgenode los rayos X.

1929 Fleming*. Descubre el antibitico penicilina.

1930 Lewis. Hallazgo de restos fsiles deRamapithecus.

1941Beadle y Tatum*. Descubren la relacin entre

genes y enzimas.1944

Avery y McCarthy. Establecen que el ADN esla molcula portadora de los caracteres hereditarios.

1952Miller. Obtiene aminocidos a partir NH3, CH4y H2.

1953Watson y Crick*. Deducen la estructurade la doble hlice de ADN.

1953Krebs*. Descubre el ciclo de los cidostricarboxlicos.

1954Leakey. Descubrimiento de los restosdeZinjanthropus.

1959 Ochoa*. Descubrimiento del ARN-polimerasa.

1959 Kornberg*. Descubrimiento del ADN-polimerasa.

1961Or. Logra la sntesis de pptidos y pentosasen el laboratorio.

1965Monod y Jacob*. Descubren el funcionamientode los genes y del opern.

1967Niremberg y Khorana. Descifran el cdigogentico.

1973Lorenz y Frisch*. Realizan importantes estudiossobre el comportamiento animal.

1978Mitchell*. Establece la teora quimiosmticade la fosforilacin oxidativa de las mitocondrias.

1984Milstein, Kler y Jerne*. Logran la sntesisde anticuerpos monoclonales.

1989 Bishop y Varmus*. Descubren los oncogenes.

18

En la actualidad, las Ciencias Biolgicas estn tandiversificadas y extendidas que la mayora de las ac-tividades y tcnicas de los diferentes campos de la

industria estn relacionadas directa o indirectamentecon la Biologa. Se necesitan conocimientos biolgi-cos en la industria alimentaria y conservera, en el tra-tamiento de las aguas para potabilizarlas, en la inves-tigacin mdica y farmacolgica, en la aplicacin detcnicas pesqueras racionales, en el control de plagasagrcolas, etc.

1. La investigacin biolgica puray aplicada

En Biologa se pueden distinguir dos grandes l-neas de trabajo: la investigacin pura y la investiga-cin aplicada. La Biologa pura se ocupa de todosaquellos aspectos de la investigacin biolgica quetienen como finalidad el conocer el funcionamientode los seres vivos en todos sus niveles, desde el mo-lecular hasta el de poblaciones, sin buscar ningunaaplicacin inmediata. Es el saber por el saber. EnBiologa pura se investiga en todos los campos, perohay algunos de stos que, por el inters que puedentener las aplicaciones de los avances, reciben unmayor apoyo econmico y, por tanto, tienen una po-

pularidad mayor. Es el caso de la investigacin enGentica, Microbiologa, Bioqumica, Ecologa,Fisiologa vegetal, animal y humana.

Retratos de Lamarck y de Darwin. Aunque la idea deque los seres vivos podran no haber sido inmutables a lolargo de la historia de la vida y de que podran haber evo-lucionado no es original ni de Lamarck ni de Darwin, estosnaturalistas fueron los que propusieron las hiptesis mscoherentes sobre la evolucin de las especies. La hiptesisde Darwin de que las especies evolucionan, segn la selec-cin que efecta la propia naturaleza, es admitida actual-mente, modulada por los conocimientos ms modernos de

gentica.

16

5 La Biologa hoy

La Biologa aplicada busca conocer nuevos deta-lles del funcionamiento de los seres vivos con el ob-

jetivo de aplicar estos conocimientos a determinadosproblemas y conseguir solucionarlos. Muchos cono-

cimientos puramente biolgicos son empleados en lainvestigacin mdica y veterinaria, en varios camposde la industria, en la ganadera, en la agricultura, etc.

(* obtencin del premio Nobel).

CUADRO III. Principales descubrimientos del siglo XX ysus autores.

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19

2. Biologa y Medicina

Los conocimientos de la Biologa son de ayudainestimable para la Medicina, cuyos avances van engran manera ligados a los de las Ciencias Biolgicas.As, la anatoma animal sirvi de base para el conoci-miento de la propia anatoma humana; el conocer losdetalles de la fisiologa de algunos microorganismosha permitido elaborar antibiticos con los que sepuede frenar la invasin de otros microorganismospatgenos; los avances en bioqumica e inmunologacondujeron a poder prevenir las enfermedades infec-ciosas mediante vacunas, a disminuir los fenmenosnocivos del rechazo de rganos en los trasplantes ymejorar los tratamientos de diferentes tipos de cncer.La ingeniera gentica permite en la actualidad obte-ner sustancias que, como la insulina, la hormona delcrecimiento o el interfern, son imprescindibles paratratar a muchas personas enfermas. Sin embargo, an

no se conocen tratamientos definitivos para enferme-dades producidas por virus (gripe, hepatitis, SIDA...),o para curar el cncer, como tampoco para enferme-dades tan comunes como la artrosis y el rema.

4. Biologa agrcola y ganadera

En el campo de la agricultura, el uso excesivo deinsecticidas, principalmente del diclorodifeniltriclo-

roetano (DDT), produjo, adems de la desaparicinde las plagas de insectos que asolaban los cultivos, laeliminacin de muchos de los depredadores naturalesde los insectos, principalmente pjaros, al acumular-se en sus tejidos los insecticidas de sus presas. Tam-bin aparecieron insectos mutantes resistentes que,en la actualidad, precisan de altas concentracionesdel insecticida para ser afectados. Hoy se trabaja enla llamada lucha biolgica, que consiste en encontrarotras especies parsitas o depredadoras de los insec-tos de la plaga, cuyo ciclo de reproduccin sea ade-ms ms rpido.

En ganadera, la Biologa ha tenido mucho quedecir en la mejora y seleccin de razas con mayor ren-dimiento (vacas de leche y de carne, cerdos, galli-nas...). La seleccin de los cruzamientos ha conducidoen agricultura a la obtencin de hbridos de elevadorendimiento agrcola, como maz con mazorcas dos otres veces ms grandes que las normales, variedadesde patatas ms grandes o ms resistentes al clima, etc.

Investigacin sobre el SIDA. Instituto central de epi-demiologa de Mosc. Analista de laboratorio.18

Cultivo experimental de lechugas en un laboratoriode investigacin ambiental.19

Piscifactora en el parque natural de Cazorla.17

3. Biologa industrial

La Biologa se utiliza en la industria en el campode las fermentaciones para obtener vinos, otras bebi-das alcohlicas y pan (fermentacin alcohlica), paraobtener yogur y diferentes tipos de quesos (fermen-tacin lctica). Tambin se trabaja en la extraccinde sustancias alcaloides y vitaminas de las plantasy de sustancias bioactivas de microorganismos. Gra-cias al conocimiento de su estructura, se pueden sinte-tizar artificialmente numerosas sustancias orgnicascomo hormonas, antibiticos y vitaminas. Del petr-leo podran obtenerse glcidos y lpidos, e incluso, por

nitracin, protenas. El estudio sobre las posibilidadesde asimilar la celulosa en el tubo digestivo humanopodra contribuir a la obtencin de nuevos alimentos.

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20

5. Biologa y medio ambiente

La extensin de la especie humana en la Tierra ysu desarrollo tcnico en los ltimos siglos ha condu-cido a variar de manera importante el equilibrio bio-

lgico de la mayora de los ecosistemas terrestres.Las industrias contaminan la atmsfera y las aguascontinentales y marinas. Se estn usando irracional-mente algunos de los recursos de la Tierra, como elagua y los bosques. Las poblaciones humanas se con-centran extraordinariamente en ncleos urbanos demillones de habitantes, con la consiguiente acumula-cin de basuras, mientras ms de la mitad de la Tierraest deshabitada. El impacto ecolgico no es frutoslo de un aumento de la poblacin sino tambin elresultado de una grave falta de organizacin y de pre-visin. Desde hace mucho tiempo se conoce la con-veniencia de la existencia de ncleos de poblacinpequeos que ocupen poca superficie, permitiendozonas amplias de bosque y que queden armonizadascon el paisaje circundante.

Se llevan a cabo experiencias atmicas controla-das cuyos efectos en la corteza terrestre y en seres vi-vos no estn perfectamente esclarecidos. Se eliminandesechos de todo tipo (industriales, chatarra, aceites,detergentes, subproductos atmicos...). Se emiten a laatmsfera gases que contribuyen a formar el efectoinvernadero, por lo que aumenta la temperatura de la

Tierra, o a ampliar el agujero en la capa de ozono. LaEcologa proporciona cada vez ms datos sobre laproductividad de los ecosistemas de la Tierra, sobre

Los impactos de las actividades humanas sobre la na-turaleza pueden traernos muy serias consecuencias.20

CUESTIONARIO 2

1. Intenta resumir los principales pasos que debieron deocurrir en la evolucin qumica hasta la formacin de laprimera clula.

2. Qu se entiende por caldo primitivo? Cules son susprincipales componentes?

3. Qu dice la teora de la panspermia? Hay algn dato

cientfico que permita apoyarla?4. Cules fueron las fuentes de energa en la etapa de

evolucin abitica?

5. Qu diferencia hay entre los coacervados y las micro-esferas? En qu se parecen?

6. Ordena la aparicin y desarrollo de los principales gru-pos de seres vivos (procariotas, eucariotas unicelulares,pluricelulares, plantas, animales...) e indica su antige-dad aproximada.

7. Qu dice la hiptesis de la endosimbiosis a propsitode la aparicin de los organismos eucariotas? Cmose habran originado las mitocondrias, segn esta hi-ptesis? Y los flagelos?

8. Cmo se habran originado los orgnulos citoplasm-ticos de las clulas eucariotas segn la teora autgena?

9. Cmo se cree que pudieron aparecer los seres vivospluricelulares? Qu caracterstica ms importante

tuvieron que adquirir las clulas que formaron parte deestos primeros seres pluricelulares?

10. Indica cules son los seres vivos que se cree vivan en laTierra hace 1.500 millones de aos. Y hace 500 millo-nes de aos?

11. Busca en una enciclopedia la biografa de Aristteles eindaga en ella sobre sus principales obras. Cules trata-

ron sobre los animales? Entre las ideas que dej este fi-lsofo destaca poderosamente una que no es correcta.Sabes de cul se trata?

12. Cita algunos personajes de la historia que destacaronpor sus aportaciones al campo de la Medicina e indicacules fueron stas.

13. Cul es la diferencia entre Biologa pura y aplicada? Ci-ta algn tipo de investigacin de ambas modalidades dela Biologa.

14. De la lista de descubrimientos de la Biologa del si-glo XX, cules son, para ti, los ms relevantes? Razonatu respuesta.

15. Cules son los principales problemas que plantea en la

actualidad la vida sobre la Tierra? Con qu ramas de laBiologa estn relacionados? Confronta tus ideas con lasde tus compaeros de clase y realiza una mesa redondasobre los problemas ms importantes y sus principalessoluciones.

la distribucin del territorio, demarcando zonas quepor su inters deben ser conservadas, sobre el impactocontaminador de los productos qumicos emitidos, delas centrales nucleares y trmicas, de las basuras en lacontaminacin de las aguas, etc. (fig. 20).

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Conceptos1. Relaciona correctamente los diferentes elementos de

las dos columnas:

mitocondria desarrollo embrionario protoctistas experimentacin embriologa doble hlice de ADN vacuna antirrbica nivel de orgnulos Oparin coacervados microesferas Miller hiptesis protobiontes Watson y Crick algas caldo primitivo generacin espontnea Redi Pasteur

2. Intenta completar el siguiente crucigrama relacio-nado con los conceptos de este tema.

Horizontales: 1. Cientfico que inici la moderna siste-mtica y nomenclatura.2. Uno de los niveles de organi-zacin de los seres vivos.3. Una de las caractersticasde los seres vivos.4. Seres vivos con ncleo definido;cientfico del siglo XIX que es el padre de la anatomaanimal moderna.5. Rama de la Biologa que estudia laestructura de los seres vivos; naturalista que propuso lateora de la evolucin moderna.6. Cientfico que expe-riment contra la idea de la generacin espontnea.7.Una clase de molculas del caldo primitivo (plural).8.Quien propuso las microesferas como precursores de los

seres vivos; cientfico que propuso el trmino de clu-la.9. Tipo de rocas constituidas por microorganismos ysedimentos.10. Al revs, quien es considerado el padrede la zoologa.11. Mdico que descubri el bacilo de la

tuberculosis.12. Rama de la Biologa que estudia la or-denacin en taxones de los seres vivos.

Verticales: 1. Cientfico que descubri la penicilina.3.Precursores de los seres vivos segn Oparin.6. Una delas categoras taxonmicas; mdico del Renacimiento

que impuls la investigacin basada en la diseccin decadveres.15. Seres vivos sin ncleo definido.

3. Responde a las siguientes cuestiones:

1. Qu diferencia hay, en cuanto a estructura, materia yorganizacin, entre un animal vivo y uno que acabade morir por paro cardiaco?

2. En qu se distinguen el crecimiento de una planta yel crecimiento de unos cristales de sal al evaporarseel agua?

3. Quines produjeron el oxgeno del aire? Cundo?De dnde procede este oxgeno?.

4. Qu personajes han defendido, a lo largo de la histo-ria, las ideas de la generacin espontnea?

5. Por qu destac Leeuwenhoek en el campo de laBiologa?

6. Con qu rama de la Biologa tienen relacin los in-vestigadores Krebs, Or, Ochoa y Mitchell?

7. Qu medidas crees que se han de adoptar respecto alactual enfrentamiento entre el progreso industrial y laconservacin de la naturaleza?

8. Intenta explicar por qu se piensa que las mitocon-drias de las clulas eucariotas pueden proceder debacterias.

9. Por qu no existan procariotas con respiracin aer-

bica hace 3.500 millones de aos?10. Cmo se pueden aplicar los conocimientos biolgi-cos en el rea de la ganadera y de la agricultura yqu se puede conseguir con ellos?

ActividadesActividades

21

L I N E O

1

1

2

3

4

56

7

8

9

10

11

12

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

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BASE FSICO-QUMICA

22

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DE LA VIDA

23

Tema 2.

Los bioelementos, el aguay las sales minerales

Tema 3.

Los glcidos

Tema 4.

Los lpidos

Tema 5.

Las protenas

Tema 6.

La actividad enzimticay la funcin hormonal

N D I C E

Muestras de clulas humanas conservadasen nitrgeno lquido a 196 C.

Determinacinde la secuencia de una

cadena de ADN.

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INFORMACIN

1 El enlace qumicoen la materia viva.El enlace inico.El enlace covalente.Los enlacesintermoleculares.

2 Los bioelementos.Los bioelementosprimarios.Los bioelementossecundarios.

3 Los principiosinmediatoso biomolculas.

4 El agua.

5 Las sales minerales.

6 Las disoluciones y lasdispersiones coloidales.Las propiedades de lasdisoluciones verdaderas.Las propiedades de lasdispersiones coloidales.

LABORATORIO Disoluciones, agua y salesminerales.

2Los bioelementos,el agua y las sales

minerales

Los seres vivos ocupan la parte inferior de la atmsfera, toda la hidrosfera y laparte superficial de la litosfera. Dado que los seres vivos, para constituir sucuerpo, obtienen los elementos qumicos del medio en el que se encuentran,cabra esperar que su composicin qumica se pareciera a la de estas trescapas. Observa si los bioelementos (elementos qumicos que forman los orga-

nismos) son los elementos ms abundantes en ellas. Si no es as, propn algu-na hiptesis sobre por qu se han seleccionado unos elementos y no otros, pa-ra ser bioelementos.

N D I C E N D I C E

Vista de una playa en Sri Lanka.

24

100

62

2010

32,5

1,10,2

0,10,1

0,10,1

0,010

0

80

60

40

20

0

BIOSFERA(Porcentaje de cada elemento)

O C H N Ca P Cl S K Na Mg Fe Si Al

100

80

60

40

20

0

ATMSFERA(Porcentaje de cada elemento)

O C H N Ca P Cl S K Na Mg Fe Si Al

2,1

78

0,03 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

100

80

60

40

20

0

LITOSFERA(Porcentaje de cada elemento)

O C H N Ca P Cl S K Na Mg Fe Si Al

46,5

0,2

0,1

0

3,6

0,1

0

0,04

2,62,8

2,15

27,7

8,1

100

O C H N Ca P Cl S K Na Mg Fe S i Al

33

66

0,00

00

0,330,02

0,010,3

0,030

00

80

60

40

20

0

HIDROSFERA(Porcentaje de cada elemento)

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1 El enlace qumico en la materia vivaEl enlace qumico es la unin entre tomos, mo-

lculas o iones. Un ion es un tomo o una molculacon carga elctrica. En la materia viva los principales

tipos de enlaces son: el enlace inico entre iones, elenlace covalente entre tomos, y los enlaces inter-moleculares entre molculas.

1. El enlace inico

Se da cuando uno de los tomos capta electronesdel otro. El tomo que capta electrones se transformaen un ion negativo o anin, y el que los pierde, en union positivo o catin. El anin y el catin quedanunidos por atraccin electrosttica. El enlace inicose da entre tomos de electronegatividad muy di-ferente, es decir, entre tomos con una gran avidezde electrones, los muy electronegativos, y tomosque retienen con poca fuerza sus electrones, los poco

Estructura atmica de los bioelementos primarios.1

electronegativos. stos, fcilmente, acaban perdien-do parte de sus electrones frente a tomos ms elec-tronegativos que ellos (figs. 1 y 2).

2. El enlace covalente

Se forma cuando dos tomos comparten electro-nes. Cada par de electrones compartidos (electronesque giran alrededor de los dos ncleos atmicos),uno de un tomo y otro del otro, forma un enlace co-valente. Se da entre tomos de electronegatividad altay similar (fig. 3). Es un enlace muy fuerte. Si los to-mos unidos tienen una electronegatividad similar,dan lugar a molculas apolares, por ejemplo, loscompuestos formados por tomos iguales, H2, O2, N2,I2, etc., y los constituidos por carbono e hidrgeno(hidrocarburos), como CH4 (metano), C3H8 (propa-no), C4H10 (butano), C8H18 (octano o gasolina), C6H6(benceno), etc. (fig. 4). Si unos tomos atraen mshacia s los electrones, se forman molculas polares,con un polo y otro , es decir, dipolos molecula-res, por ejemplo, H2O, NH3, SH2, etc. (fig. 5).

Enlace inico del NaCl.2

Enlace covalente.3

Hidrgeno H

1 e, 1p, 0nNmero atmico 1

Peso atmico

1

Oxgeno

8 e

, 8p, 8nNmero atmico 8Peso atmico 16

O

O

O

Na Na

Na (catin)

Cl (anin)

NaClCloruro sdico

Red cbica del NaCl

O2

Oxgeno gaseoso

Na Clxxxx

Clxx

x

x

x

xx

Ox

x x

x

xx

Oxx O O

x

x

xx

Clxx

x

Carbono

6 e, 6p, 6nNmero atmico 6

Peso atmico 12

C

Nitrgeno

7 e, 7p, 7nNmero atmico 7

Peso atmico 14

N

Fsforo

15 e, 15p, 15nNmero atmico 15

Peso atmico 30,9

P

Azufre

16 e, 16p, 16nNmero atmico 16

Peso atmico 32

S

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Diferentes representaciones de los enlaces covalentes entre bioelementos primarios:rbitas y diagrama de puntos de Lewis. En el diagrama de puntos de Lewis se indica elnmero de electrones del ltimo orbital, que son los que intervienen en los enlaces qumicos.

4

Hidrgeno molecular (H2)

Nitrgeno molecular (N2) Oxgeno molecular (O2)

Agua (H2O)

Metano (CH4)

N N O O

H H

H

H

CH

H

H H

HH

NN OO

HO

H

H H

H

C

H

a) Entre bioelementos distintos del carbono

H H H H HH H2 Hidrgeno gas

H H H H H H H2O Agua

H H H H H H H2S cido sulfhdrico

H H H H H NH3 Amoniaco

b) Entre carbonos

Enlace simple entre carbonos

Enlace doble entre carbonos

Enlaces simplesentre 4 carbonos

c) Entre carbonos y otros bioelementos

O Grupo cetnico

H H H OH Grupo hidroxilo o alcohlico

H H H Grupo hidrgeno

4( ) 10 (H ) H H C4H10 Butano (hidrocarburo)

H CHO Grupo aldehdo

H H H COOH Grupo cido

H H H H NH2 Grupo amina

H H H H H H H H CH4 Metano

H

C

H

F

HCH

FC

C

FN

H

C

F NH

C

FN

C

FO

C

O

F O

F O

O

C

FC

H

F

O

C

H

F O

C

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

FC

C

FC

FC

C

FO

C

F O

C

F O

C

C

O

CF

O

CF

O

C

C

C

C

C

FC

C

C

C

FC

C

C

C

C

CFC

CF

C

C

C

C

FC

C

FC

C

H

N

H

F

HNH

FN

S

F S

F S

O

F O

F O

FF

O

CO

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27

3. Los enlaces intermoleculares

Son los enlaces entre molculas. Los casos msimportantes son el enlace de hidrgeno y las fuer-zas de Van der Waals. Son enlaces muy dbiles y es-tn debidos a fuerzas electrostticas.

a) Enlace de hidrgeno. En las molculas dipola-res de los hidruros (H2O, NH3, H2S, etc.), el pe-queo tamao del tomo de hidrgeno permiteaproximarse mucho al otro tipo de tomo, delas molculas contiguas, establecindose fuer-zas dbiles de atraccin entre ellas, denomina-das enlace de hidrgeno, antes denominadopuente de hidrgeno. En el agua, la gran elec-tronegatividad del oxgeno hace que las cargasdel dipolo sean muy altas. Por ello, las molcu-las de agua se atraen tanto entre s que formanun lquido, mientras que otras de mayor pesomolecular, como el H2S, son gases (fig. 6).

b) Enlace por fuerzas de Van der Waals. Tam-bin entre molculas apolares aparecen atrac-ciones electrostticas, debido a que, en deter-minados instantes, la cambiante distribucinelectrnica se vuelve asimtrica, y aparecen

dipolos instantneos. stos permiten la atrac-cin intermolecular. Cuanto ms grande seauna molcula, ms fuerza puede alcanzar este

Comparacin de la distribucin de cargas en distin-tos tipos de enlaces.5

Enlace intermolecular por fuerzas de Van der Waals.7

Enlace intermolecular por puente de hidrgeno.6

enlace, ya que hay ms posibles puntos deatraccin y las capas electrnicas se deformanms fcilmente. Este tipo de fuerzas tambinaparecen entre molculas polares aumentandosu atraccin (fig. 7).

Enlace inico Enlace covalente

Molcula

no polarizada

espontneamente

Molcula polarizada

(dipolo instantneo)

H

H H

H

HH

O

O

O

Induccin de polarizacin en la molcula vecina

Enlacecovalente polar

CUESTIONARIO 1

1. Sabiendo que la tendencia es tener 2 electrones en elprimer orbital y 8 en el segundo y que, por ejemplo, eneste ltimo, si hay menos de cuatro, la tendencia serdesprenderse de ellos, y si tiene ms de cuatro, la ten-

dencia ser captar los que faltan para llegar a 8, decirde dos tipos de tomos, de nmero atmico 12 y 17,cul ser ms electronegativo y cul lo ser menos.

2. Siguiendo la representacin de Lewis, esquematizar elenlace del MgCl2, del N2, del HCl, CO2 y SiO2.

3. Siguiendo la representacin de Lewis, esquematizarlos enlaces del MgSO4 y del MgCO3. Estas dos salesson solubles en agua dando ion magnesio (Mg2), eion sulfato (SO42) o ion carbonato (CO32), respectiva-mente. Por qu no se disocian de otra forma, porejemplo, separndose el O del S y el O del C?

4. Ordena de mayor a menor electronegatividad los ele-mentos N, O, H, C y S.

5. Por qu no sera posible la presencia de hidrgenoen la atmsfera terrestre actual?

6. Los dos tomos de la molcula de nitrgeno (N2) es-tn tan fuertemente unidos por sus tres enlaces cova-lentes que apenas reaccionan con otras sustancias.Qu relacin hay entre esto y la composicin de laatmsfera?

7. De dnde sale el oxgeno que respiran los peces?

8. Por qu las aguas continentales son dulces y las ma-rinas son saladas?

9. Citar algunas pruebas sencillas que podran realizarsepara distinguir si un slido es molecular, atmico oinico. (Ver documento 1 de la pgina siguiente.)

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Slidos atmicos.8

Disolucin de un slido molecular de molculas co-valentes polares en un lquido polar.10

Slido molecular.9

Cristal de SiO2Red tetradrica

Punto de fusin: 1.500 C

Cristal de diamante (C)

Red tetradricaPunto de fusin: 3.500 C

Cristal de CO2Red cbica centrada en las caras

Punto de fusin:

56,4 C

O

O

O O

O

C

1,54

Si Si

Si

O OC

CO2 Gas

ocumento 1DRelacin entre enlacesy propiedades fsicas y qumicas

El enlace inico es un enlace fuerte. Si la atraccinelectrosttica es alta, se forman slidos inicos cristalinos,de punto de fusin alto e insolubles en agua, como el

Ba2

SO2

4. Si la atraccin es menor, como sucede con elNaCl, el punto de fusin del slido cristalino tambin esmenor, y generalmente es soluble en agua, un lquido po-lar, e insoluble en lquidos apolares como el benceno C6H6.

En el enlace covalente, si el tamao de los tomos esmuy parecido, unos rodean a los otros y viceversa, seforma un slido atmico cristalino de punto de fusinmuy alto, e insoluble en agua. Es el caso, por ejemplo,del cuarzo (SiO2), y del diamante (C) (fig. 8). Si el tomocentral es tan pequeo que no puede contactar con to-dos los tomos con los que podra establecer enlaces,porque no caben, forma molculas de pocos tomos.stas, si son apolares, quedan sueltas y forman gases atemperatura ambiente. Por ejemplo, H2, O2, N2, CO2,CH4, C3H8 , C4H10, etc. (fig. 9). Si su peso molecular esmayor, debido a fuerzas de Van der Waals, pueden serlquidos, por ejemplo Br2, C8H18 y C6H6; y si es todavams elevado, pueden ser slidos, como el C12H10 (nafta-leno). Las molculas polares, de bajo peso molecular, siel carcter dipolar es bajo, sern gases, por ejemplo,SO2, HCl, NH3; y si es alto, sern lquidos, como el H2F2y el H2O. Si su peso molecular es alto, forman slidos,que sern solubles en agua cuyas molculas tambinson polares, por ejemplo la glucosa (fig. 10).

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29

2 Los bioelementosSi se hace un anlisis qumico de cada uno de los

diferentes tipos de seres vivos, se encuentra que lamateria viva est constituida por unos setenta ele-

mentos, que son prcticamente la totalidad de los ele-mentos estables que existen en la Tierra, exceptuandolos gases nobles. Estos elementos que se encuentranen la materia viva se llaman bioelementos o elemen-tos biognicos (de bios, vida, y genos, origen).

Los bioelementos se pueden clasificar en dos gru-pos: los bioelementos primarios y los bioelementossecundarios.

Los bioelementos primarios. Se llaman prima-rios porque son indispensables para la forma-cin de las biomolculas orgnicas (glcidos,lpidos, protenas y cidos nucleicos), que sonlas molculas que constituyen todos los seres vi-vos y que, adems, en la naturaleza, solamenteson producidas por ellos. Por esto, a las biomo-lculas orgnicas tambin se las denomina prin-cipios inmediatos a la vida. Son un grupo deseis elementos, que constituyen el 96,2 % deltotal de la materia viva. Son el oxgeno (O), elcarbono (C), el hidrgeno (H), el nitrgeno (N),el fsforo (P) y el azufre (S).

Los bioelementos secundarios son todos los

bioelementos restantes. En este grupo se puedendistinguir dos tipos: los indispensables, que sonlos que no pueden faltar porque son imprescin-dibles para la vida de la clula, y que, en mayoro menor proporcin, se encuentran en todos losseres vivos, y los variables, que son los que spueden faltar en algunos organismos. Son bioe-lementos secundarios indispensables el calcio(Ca), el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio(Mg), el cloro (Cl), el hierro (Fe), el silicio (Si),el cobre (Cu), el manganeso (Mn), el boro (B),el flor (F) y el yodo (I). Son bioelementos se-cundarios variables, por ejemplo, el bromo(Br), el cinc (Zn), el titanio (Ti), el vanadio (V)y el plomo (Pb).

Otra clasificacin de los bioelementos es la basa-da en su abundancia. Los que se encuentran en pro-porciones inferiores al 0,1 % se denominan oligoele-mentos, y el resto bioelementos plsticos. No existeuna relacin directa entre abundancia y esencialidad.Muchos bioelementos pueden ser, por ejemplo, oli-goelementos, y a la vez ser indispensables, debido aque su funcin no es estructural, sino catalizadora.

As, una pequea cantidad de ellos es suficiente paraque el organismo viva, pero la falta total provocarasu muerte.

1. Los bioelementos primarios

Si se compara la composicin atmica de la biosfe-ra, es decir, de la materia viva que hay en la Tierra, conla composicin de la atmsfera, de la hidrosfera y de lalitosfera, que son las tres capas que ocupan los seresvivos, se pueden deducir las siguientes conclusiones:

Los altos porcentajes de H y O en la biosfera sedeben a que la materia viva est constituida poragua en un porcentaje que vara de un 65 % (or-ganismos terrestres) a un 90 % (organismos acu-ticos). Ello a la vez se debe a que todas las reac-ciones qumicas que se realizan en los seres vivosse desarrollan en el medio acuoso. No es posiblela materia viva sin agua. Todo esto se relacionacon que la vida se origin en el medio acutico.

Los porcentajes del resto de los bioelementosprimarios (C, N, S y P) de la biosfera sonmuy diferentes de los encontrados en la atms-

fera, hidrosfera o litosfera, por lo que no se pue-de deducir que la materia viva se haya formadoa partir de los elementos ms abundantes, sino apartir slo de aquellos (C, H, O, N, P y S) quegracias a sus propiedades son capaces deconstituirla. Estas propiedades son:

Su masa atmica es relativamente pequea, yesto favorece que al combinarse entre s se esta-blezcan enlaces covalentes estables. Cuantomenor es un tomo, mayor es la tendencia delncleo positivo a completar su ltimo orbital

con los electrones que forman los enlaces, y, portanto, ms estables son dichos enlaces.

Dado que el oxgeno y el nitrgeno son elemen-tos muy electronegativos, al establecer enlacescovalentes con los otros tipos de tomos con fre-cuencia dan lugar a molculas dipolares. Dadoque el agua tambin es dipolar, estos compues-tos se disuelven bien en ella y pueden reaccio-nar entre s, haciendo posible los procesos bio-qumicos imprescindibles para la vida.

El resto de las propiedades no son comunes, por lo

que se exponen a continuacin por separado.a) El carbono. Tiene cuatro electrones en su pe-riferia y puede formar enlaces covalentes esta-bles con otros carbonos. stos le permitenconstituir largas cadenas de tomos (macro-molculas). Gracias a que los enlaces puedenser simples (CC), dobles (CC) o triples(CC); y, sobre todo, gracias a los diferentesradicales formados por los otros elementos(H, O, OH, NH2, SH, H2PO4, etc.),es posible un gran nmero de molculas dife-rentes