Biología común 2021

CAPÍTULO II INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA

La biología es la ciencia que estudia los seres vivos en cuanto a sus estructuras, relaciones y procesos vitales. Estudiar la vida puede abarcar desde la escala microscópica hasta la escala planetaria. El estudio de los seres vivos es tan amplio que se pueden estudiar áreas específicas de los seres vivos; entre ellas encontramos la genética y la biología molecular, que ayudan a los avances en medicina, ciencia y agricultura; también los nuevos modelos de ecología, que contribuyen a que las sociedades evalúen aspectos ambientales, como las causas y las consecuencias biológicas del calentamiento global. Aunque los seres vivos, como un elefante, un ratón o un gomero son muy diferentes entre ellos, comparten un conjunto de características comunes que los distinguen de las cosas inertes, como las rocas o un libro que estés leyendo. LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS ❖ Estructura con organización: Aunque todas las células tienen características comunes, como estar rodeadas por membranas y utilizar al ADN como contenedor del código genético, las células más complejas pueden tener, además, estructuras especializadas como los organelos; éstos les dan funciones más complejas y específicas. Esto nos permite clasificar a las células estructuralmente: células eucariontes (con núcleo definido) y células procariontes (sin núcleo ni organelos membranosos). Aunque varían mucho en tamaño y apariencia, todos los organismos están conformados de unidades básicas llamadas células (Figura 1). Hay organismos pequeños y más simples, como las bacterias y los protozoos, que se componen de una sola célula; también son conocidos como organismos unicelulares. En este caso, esta única célula es la que se encarga de cumplir todas las funciones necesarias para vivir. Otros organismos más grandes y complejos son multicelulares o pluricelulares, es decir, están compuestos de muchas células y generan estructuras especializadas, como los órganos y los tejidos, para realizar las funciones vitales. ❖ Los organismos crecen y se desarrollan: El crecimiento biológico implica un aumento en el tamaño de las células individuales de un organismo, en el número de células o en ambos. El crecimiento puede ser uniforme en las diversas partes de un organismo o puede ser mayor en algunas partes que en otras, haciendo que las proporciones del cuerpo cambien a medida que se produce el crecimiento.

Figura 1. Tipos celulares de acuerdo con su estructura. Las células eucariontes (derecha) con organelos definidos, incluido el núcleo; las células procariontes (izquierda), sin estructuras membranosas. Imagen de dominio público.

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Algunos organismos, como la mayoría de los árboles, continúan creciendo durante toda su vida (Figura 2). Muchos animales tienen un período de crecimiento definido que termina cuando se alcanza el tamaño característico de un adulto. Un aspecto interesante del proceso de crecimiento es que cada parte del organismo sigue funcionando normalmente a medida que crece.

Figura 2. Crecimiento de los seres vivos.

En esta imagen se compara el crecimiento de un árbol milenario, como un secuoya gigante (pueden medir 100 m de altura) con un adulto

humano en su base. Imagen de dominio público.

Los organismos vivos se desarrollan conforme a su crecimiento. El desarrollo incluye todos los cambios que tienen lugar durante la vida de los organismos. Las estructuras y la forma del cuerpo que se desarrollan están delicadamente adaptadas a las funciones que el organismo debe realizar.

❖ Los organismos regulan sus procesos metabólicos: Tanto los seres vivos como las células tienen metabolismo, es decir, pueden realizar reacciones químicas y transformaciones de energía, las cuales son esenciales para la nutrición, el crecimiento y la reparación de las células, y la conversión de energía en formas útiles. Todas estas reacciones metabólicas deben ser cuidadosamente reguladas para mantener la homeostasis, un ambiente interno adecuado y equilibrado. Cuando nuestro organismo o células necesitan algún requerimiento en particular, se activan los procesos celulares para producirlo. Al contrario, si hay algún proceso en exceso, se detienen los procesos o se activan los métodos para eliminar el excedente. Estos mecanismos homeostáticos son sistemas de control de autorregulación muy sensibles y eficientes. Un ejemplo de esto es la regulación de la glucosa. ❖ Los organismos responden a estímulos: Todos los seres vivos responden a estímulos, es decir, a los cambios físicos o químicos en sus ambientes interno y externo. Los estímulos que provocan una respuesta pueden ser, por ejemplo, los cambios en el color, intensidad o dirección de la luz, cambios de temperatura, presión o el sonido; también cambios en la composición química del suelo, del aire o agua circundantes. Responder a estímulos implica movimiento, aunque no siempre locomoción (moverse de un lugar a otro).

❖ Los organismos se reproducen: Se ha probado con distintos experimentos que la vida no se produce por generación espontánea (Figura 3). Los seres vivos tienen la capacidad de reproducirse, eso quiere decir, que pueden generar nuevos organismos de la misma especie. Estos nuevos individuos pueden ser idénticos al organismo original (reproducción asexual) o una combinación de dos padres (reproducción sexual). ❖ Las poblaciones evolucionan y se adaptan a los cambios ambientales: Los seres vivos no se quedan inmóviles frente a los cambios de la naturaleza, pues ellos se adaptan a las condiciones del entorno para sobrevivir en el mundo cambiante. Si estas adaptaciones son heredadas a las siguientes generaciones, éstas tendrán nuevas características y herramientas para sobrevivir, como, por ejemplo, la formación de pulmones. Las adaptaciones pueden ser estructurales, fisiológicas, bioquímicas, de comportamiento o una combinación de las cuatro.

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Figura 3. Experimento de Redi.

Francesco Redi (1668) demostró que los insectos no nacen por generación espontánea. Redi observó que en trozos de carne al aire libre

aparecían larvas en la superficie. Para probar su hipótesis, realizó un experimento donde expuso 3 pedazos de carne en diferentes condiciones:

i. destapados; ii. sellados por completo; iii. tapados con una gasa fina. A partir de sus resultados, probó que aparecían gusanos sólo en la

carne que atraía moscas y en cuya superficie éstas depositaban sus huevos. Imagen de dominio público.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA BIOLOGÍA O JERARQUÍA BIOLÓGICA. El reduccionismo es una forma de estudiar las partes para entender una estructura o el sistema completo, sin embargo, el todo es más que la suma de sus partes, aunque ésta sea una buena aproximación inicial. Por ejemplo, no tienen la misma fuerza para sostener el techo de una casa un montón de ladrillos apilados o una pared de ladrillos bien construida. La jerarquía biológica es una forma de organizar las estructuras que forman a los seres vivos a través de niveles o jerarquías. Estos niveles están ordenados en forma creciente, es decir, de lo más pequeño y simple hasta lo más grande y complejo. Cada uno de estos niveles tiene propiedades emergentes, es decir, características que sólo aparecen en un nivel y que no se encontraban en los niveles anteriores; éstas se mantendrán en los niveles superiores. Los niveles se describen a continuación: 1. Átomo: Es la partícula más pequeña que forma toda la materia. Cada átomo de un elemento químico conserva las propiedades y las características de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hierro es la cantidad más pequeña posible de hierro. Aunque la palabra átomo signifique “indivisible”, actualmente sabemos que tiene una estructura interna que puede dividirse (existen partículas subatómicas como los electrones, protones y neutrones). Los átomos tienen diferentes cualidades al cambiar la cantidad de las partículas subatómicas. Cada elemento químico se ha ordenado en la tabla periódica según el número de protones que lo forman (Figura 4).

Figura 4. Átomo.

Representación de un modelo atómico planetario que muestra los tipos de partículas subatómicas. Protones y neutrones se encuentran en el

centro (núcleo) y los electrones se mueven alrededor del núcleo (corteza). Imagen de dominio público.

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2. Molécula: La unión de átomos iguales o diferentes mediante enlaces químicos se considera una molécula. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno se combinan con un átomo de oxígeno para formar una sola molécula de agua (H2O). Aunque se compone de dos tipos de átomos que son gases, el agua puede existir como sólido, líquido o gas. Las propiedades del agua son muy diferentes de las de sus componentes hidrógeno y oxígeno, lo cual es un ejemplo de una propiedad emergente del nivel molécula. De igual manera, el peróxido de hidrógeno (H2O2) está conformado por los mismos elementos químicos, pero en diferente proporción, lo que le da otras propiedades (Figura 5).

Figura 5. Moléculas.

Algunos ejemplos de moléculas formadas por hidrógeno y oxígeno. A) Modelo de la molécula de agua (H2O). B) Modelo de la molécula de

peróxido de hidrógeno (H2O2). Cada una tiene propiedades fisicoquímicas diferentes. Imagen de dominio público.

Hay millones de tipos de moléculas, pero no todas forman a los seres vivos. Las biomoléculas están compuestas de un reducido número de elementos químicos llamados bioelementos.

3. Macromoléculas: Entre los diversos tipos de biomoléculas podemos encontrar dos tipos: Las moléculas inorgánicas y las moléculas orgánicas (formadas principalmente de carbono). Las moléculas orgánicas pueden generar las macromoléculas, es decir, moléculas de mayor tamaño, pero que además están formadas por la unión de pequeñas unidades (monómeros) repetidas y unidas, cientos o miles de veces, como, por ejemplo, las proteínas, los carbohidratos y los ácidos nucleicos (Figura 6).

Figura 6. Macromolécula.

Son la unión de una molécula pequeña (monómero) repetida cientos o miles de veces. Por ejemplo, el ácido desoxirribonucleico (ADN).

Solomon y cols., 2013.

4. Organelo: Las estructuras que formarán a una célula, como las membranas biológicas o los organelos, están formados principalmente por la unión de las macromoléculas y otros tipos de moléculas con una composición y una estructura específicas. Las células contienen numerosos complejos macromoleculares. Algunas estructuras están presentes tanto en procariontes como en eucariontes, pero difieren en ambos tipos celulares (Figura 7). 5. Célula: Es la unidad básica estructural y funcional de los seres vivos, es decir, antes de este nivel no existe la vida (propiedad emergente). Una célula está formada por la unión de un conjunto de átomos y moléculas que se asocian

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entre sí, pero es mucho más que un montón de átomos y moléculas, ya que necesitan una estructura específica y compleja para que sea una célula funcional, es decir, que cumpla todos los procesos requeridos para la vida (Figura 8).

Figura 7. Segmento de membrana plasmática.

En esta sección se encuentran diversos complejos macromoleculares donde se observan la interacción entre fosfolípidos, proteínas y

carbohidratos en sólo una gran estructura. Imagen de dominio público.

Figura 8. Tipos de células eucariontes.

Los dos tipos principales y más complejos (por la cantidad de organelos que tienen) son las células animales y vegetales. Aunque tienen

estructuras similares o iguales en ambas células, también hay algunas estructuras únicas para cada una. Imagen de dominio público.

6. Tejido: Los tejidos son un conjunto de células de características iguales o similares que trabajan en forma coordinada para una función específica en un organismo multicelular. Por ejemplo, la mayoría de los animales tienen tejido muscular y tejido nervioso que ayudan al movimiento de estos organismos; las plantas tienen epidermis, un tejido que sirve como una cubierta protectora, y tejidos vasculares, que mueven los materiales a través del cuerpo de la planta (Figura 9). 7. Órgano: En la mayoría de los organismos complejos, los tejidos diferentes se organizan en estructuras funcionales llamadas órganos. Como ejemplos de éstos tenemos el corazón y el estómago en los animales, y las raíces y las hojas en las plantas (Figura 10).

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Figura 9. Tejidos.

Tejidos del ser humano. Se observan cuatro tejidos; cada cual se subdivide en otros tipos y se pueden interconectar entre sí. Imagen de dominio

público.

Figura 10. Órgano (corazón).

Los órganos son un conjunto de tejidos diferentes, como los tejidos adiposo, muscular y vascular en el corazón, en cuyo caso cumplen en

forma coordinada la función de bombear la sangre a todo el cuerpo. Imagen de dominio público.

8. Sistema de órganos: En los animales, cada grupo principal de funciones biológicas lo realiza un grupo coordinado de tejidos y órganos llamado sistema de órganos. Entre los sistemas más conocidos encontramos el sistema circulatorio, el sistema reproductor, el sistema nervioso, el sistema endocrino, el sistema excretor, el sistema digestivo, el sistema inmune, el sistema óseo y el sistema respiratorio (Figura 11). 9. Organismo o individuo: Funcionando en conjunto con gran precisión, los sistemas de órganos constituyen un complejo organismo multicelular. Una vez más las propiedades emergentes son evidentes, pues un organismo es mucho más que los sistemas de órganos que lo componen. En este nivel consideramos un tipo de ser vivo multicelular completo (Figura 12).

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Figura 11. Sistemas orgánicos.

Un conjunto de órganos tan diferentes como el estómago y los intestinos trabajan juntos para digerir y absorber los alimentos en el sistema

digestivo. Imagen de dominio público.

Figura 12. Organismo o individuo.

Se pueden observar organismos multicelulares completos y diversos como los animales. Imagen de dominio público.

10. Población: Todos los miembros de una misma especie que viven en la misma área geográfica y al mismo tiempo constituyen una población. Ésta tiene la capacidad de reproducirse entre sí y con ello aumentar el número de individuos de su especie (Figura 13). 11. Comunidad: Las poblaciones de diversos tipos de organismos que habitan en un área particular e interactúan entre sí forman una comunidad biológica. Una comunidad puede constar de cientos de diferentes tipos de organismos, con diferentes tipos de interacciones entre las especies, siendo algunas relaciones positivas, otras negativas u otras neutras (Figura 14).

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Figura 13.- Familia de lobos.

La reproducción es la capacidad de generar nuevos organismos de la misma especie para mantener en el tiempo la propia especie. Imagen

de dominio público.

Figura 14. Comunidad.

Poblaciones de diferentes especies interaccionan entre ellas en la comunidad. Por ejemplo, el búho se posa y hace su nido en los árboles.

Para el búho la interacción es positiva, pero para el árbol, que no se ve afectado, es neutra. Imagen de dominio público.

12. Ecosistema: Corresponde a un sistema biológico compuesto por una comunidad (biocenosis) y su entorno inerte o abiótico (biotopo). Un ecosistema puede ser tan pequeño como un estanque (o incluso un charco) o tan grande como las grandes planicies de América del Norte (Figura 15). 13. Bioma: Llamado también paisaje bioclimático, es una región geográfica grande, relativamente bien delimitada y caracterizada por un clima determinado, que comparten condiciones de suelo, vegetación y fauna similares, sin importar su localización en el planeta. Por ejemplo, cuando hablamos de un desierto, vienen a nuestra mente condiciones de climas específicos; no obstante, la flora y la fauna no son idénticas en el desierto del Sahara y el desierto de Atacama, aunque mantienen características similares para enfrentar este tipo de clima (Figura 16).

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Figura 15. Estructura del ecosistema.

Las interacciones entre los seres vivos de la comunidad (biocenosis) y la parte abiótica, como el agua, la tierra y el clima (biotopo), constituyen

un ecosistema. Imagen de dominio público.

Figura 16. Bioma.

El desierto tiene características particulares, como las bajas precipitaciones, las temperaturas extremas, la vegetación especializada para las

condiciones de baja humedad y animales adaptados con estructuras corporales ásperas y rígidas para soportar la pérdida de agua. Este bioma

puede ubicarse en diferentes lugares del planeta. Imagen de dominio público.

14. Biósfera: Todos los ecosistemas y biomas del planeta Tierra en conjunto se conocen como la biósfera, que incluye a todos los lugares habitados por organismos vivos. Cuando estudiamos el planeta, lo podemos ir separando en capas como la atmósfera (gases que rodean la Tierra), la hidrosfera (agua en cualquier forma del planeta) y la litosfera (corteza de la Tierra) (Figura 17). A menudo, la unión de estas cuatro esferas se denomina ecósfera.

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Figura 17. Biosfera.

Último nivel de la jerarquía biológica hasta ahora. Imagen de dominio público.

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EJERCICIOS

1. Si una ameba se divide en dos amebas más

pequeñas, éste es un ejemplo de A) homeostasis. B) neurotransmisión. C) reproducción asexual. D) reproducción sexual. E) metabolismo. 2. Sobre las células es correcto afirmar que

I) son el componente básico de los organismos vivos.

II) siempre tienen núcleo. III) no se encuentran en las bacterias.

A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) I, II y III 3. Los seres vivos poseen características que

los diferencian de las estructuras inertes. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?

A) Las plantas son seres vivos, aunque no se

muevan. B) Los organismos multicelulares, como las

plantas y animales, sólo se reproducen en forma sexual.

C) Los seres vivos se adaptan a todos los cambios ambientales.

D) Las frutas y verduras son de origen vegetal y tienen células, por ende, son organismos vivos.

E) Los virus, pese a que pueden tener ADN, no son seres vivos.

4. Ordene los siguientes niveles de

organización biológica de forma creciente.

1. Sistema de órganos 2. Molécula 3. Tejido 4. Órgano 5. Célula

A) 2, 3, 5, 4, 1 B) 5, 3, 4, 1, 2 C) 2, 5, 3, 1, 4 D) 2, 5, 3, 4, 1 E) 5, 2, 3, 4, 1

5. ¿Cuál de las siguientes relaciones no es correcta?

A) Los eritrocitos son un ejemplo del nivel celular. B) El esqueleto es un ejemplo del nivel sistema de

organelos. C) La epidermis es un ejemplo del nivel tejido. D) La piel es un ejemplo del nivel órgano. E) Una bacteria como Escherichia coli es un

ejemplo del nivel organismo. 6. ¿Cuál de las siguientes es una secuencia

decreciente en los niveles de la jerarquía biológica?

A) Cerebro, sistema nervioso, neurona, tejido

nervioso. B) Sistemas orgánicos, población de células,

tejido nervioso, cerebro. C) Organismo, sistema de órganos, tejido, célula,

órgano. D) Sistema nervioso, cerebro, tejido nervioso,

neurona. E) Sistema de órgano, tejido, molécula, célula. 7. Sobre las propiedades emergentes es

correcto que

I) son únicas para cada nivel y no aparecen en ningún otro.

II) sólo aparecen en los niveles químicos de la jerarquía.

III) la propiedad emergente que define a los seres vivos surge en el nivel célula.

A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II E) Sólo I y III 8. Los hipocampos o caballitos de mar

pueden camuflarse en el fondo marino. La mejor descripción de esta propiedad emergente es que estos organismos

A) están formados por células. B) crecen y se desarrollan. C) se pueden reproducir. D) se pueden adaptar. E) tienen la capacidad de movimiento.

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9. En la siguiente imagen se muestran tres niveles de la jerarquía biológica.

¿A cuál nivel corresponde cada imagen? A) Célula, ecosistema, órgano. B) Organismo, órgano, población. C) Organelo, población, tejido. D) Macromolécula, organismo, célula. E) Célula, comunidad, órgano. 10. Ordene de forma creciente las siguientes

estructuras que pertenecen a distintos niveles de organización biológica.

1. Raíces 2. Leucocitos 3. Mitocondrias 4. Tundra 5. Homo sapiens

A) 1, 2, 3, 4, 5 B) 5, 4, 3, 2, 1 C) 3, 2, 1, 5, 4 D) 3, 2, 1, 4, 5 E) 4, 3, 2, 1, 5