Biología
La biología (del griego βίος [bíos] «vida», y -λογία [-logía] «tratado», «estudio» o «ciencia»)[1][2] es la ciencia natural que estudia todo lo relacionado con la vida y lo orgánico, incluyendo los procesos, sistemas, funciones, mecanismos u otros caracteres biológicos subyacentes a los seres vivos en diversos campos especializados que abarcan su morfología, fisiología, filogénesis, desarrollo, evolución, distribución e interacciones en los niveles macroscópico y microscópico.[3][4][1][5]
La biología se ocupa tanto de la descripción de las características y los comportamientos de los organismos individuales, como de las especies en su conjunto, así como de las relaciones entre los seres vivos y de las interacciones entre ellos y el entorno. De este modo, trata de estudiar la estructura y la dinámica funcional comunes a todos los seres vivos, con el fin de establecer las leyes generales que rigen la vida orgánica y los principios de ésta.[6]
La escala de estudio va desde los subcomponentes biofísicos hasta los sistemas complejos, los cuales componen los niveles de la organización biológica. La biología moderna se divide en subdisciplinas según los tipos de organismos y la escala en que se los estudia. Por ejemplo, la biología molecular es el estudio de las biomoléculas fundamentales de la vida, mientras que la biología celular tiene como objeto el análisis de la célula, que es la unidad constitutiva básica de toda la vida. A niveles más elevados, la anatomía y la fisiología, por ejemplo, estudian la estructura y el funcionamiento interno de los organismos, respectivamente, mientras que la ecología se ocupa de los hábitats naturales y su relación con los seres vivos.[6]
Los campos biológicos de la botánica, la zoología y la medicina surgieron desde los primeros momentos de la civilización, mientras que la microbiología fue introducida en el siglo XVII con el descubrimiento del microscopio. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX cuando la biología se unificó, una vez que se descubrieron coincidencias en todos los seres vivos y se estudiaron como un conjunto. Algunos desarrollos clave en la ciencia de la biología fueron la genética, la teoría de la evolución mediante selección natural, la teoría microbiana de la enfermedad y la aplicación de técnicas de física y química a nivel celular y molecular, que dieron lugar a la biofísica y bioquímica, respectivamente.[6]
En su sentido moderno, la palabra «biología» parece haber sido introducida independientemente por Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) y por Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). Generalmente, se dice que el término fue acuñado en 1800 por Karl Friedrich Burdach, aunque se menciona en el título del tercer volumen de Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, de Michael Christoph Hanow y publicado en 1766.[7]
Al científico que estudia la vida en general se le conoce como biólogo y pueden especializarse en cualquier rama de esta ciencia, aunque también pueden adquirir el apelativo de su especialidad, p. Ej: zoólogo, botánico, micólogo, microbiólogo, genetista, biólogo molecular, etc. No obstante, tradicionalmente se los suele clasificar en dos grandes subgrupos; los biólogos de laboratorio, quienes normalmente realizan trabajo de laboratorio; y los biólogos de campo, que generalmente se dedican al trabajo de campo, si bien ambos deben tener la formación adecuada y los conocimientos fundamentales de ambos ámbitos para poder desempeñar su profesión.[8][9]
Etimología
En español, el origen de la palabra biología se encuentra en el vocablo francés biologie,[10] [1] tomado del griego βίος [bíos] que hace acepción a «vida»[11] y -λογία [-logía] que significa «tratado», «estudio» o «ciencia»,[12] por lo que se puede connotar como la «ciencia de la vida». En el idioma inglés el término fue acuñado inicialmente en el idioma alemán en el siglo XIX.[13]
Historia de la biología
Historia del estudio de la vida
La historia de la biología narra y analiza la historia del estudio de los seres vivos, desde la Antigüedad hasta la época actual. Aunque la biología moderna es un desarrollo relativamente reciente (siglo XIX), las ciencias relacionadas e incluidas en ella se han estudiado como filosofía natural desde la antigüedad —antiguas civilizaciones de Mesopotamia, Egipto, subcontinente indio, China—, pero los orígenes de la biología moderna y su enfoque del estudio de la naturaleza se creen originados en la antigua Grecia.[Mag. 1][14] Si bien el estudio formal de la medicina se remonta al Egipto faraónico —ver: Āyurveda y medicina en el Antiguo Egipto—, fue Aristóteles (384-322 a. C.) quien contribuyó más ampliamente al desarrollo de la biología. Especialmente importantes son su Historia de los animales y otras obras donde mostró inclinaciones naturalistas, y luego obras más empíricas que se enfocaron en la causalidad biológica y la diversidad de la vida. El sucesor de Aristóteles en el Liceo, Teofrasto, escribió una serie de libros sobre botánica (De historia plantarum) que sobrevivieron como la contribución más importante de la antigüedad a las ciencias de las plantas, incluso hasta la Edad Media.[15]
La decadencia del Imperio romano llevó a la desaparición o la destrucción de gran cantidad de conocimiento, aunque los médicos todavía conservaron la tradición griega en formación y práctica. En Bizancio y el mundo islámico, muchos de los trabajos griegos fueron traducidos al árabe y muchos de los trabajos de Aristóteles fueron preservados. La historia natural se basó en gran medida en el pensamiento aristotélico, especialmente en la defensa de una jerarquía de vida fija, destacando la obra de algunos eruditos que escribieron sobre biología, como al-Jahiz (781-869), Al-Dīnawarī (828-896), que escribió sobre botánica,[16] y Rhazes (865-925) que escribió sobre anatomía y fisiología. Avicena (980-1037)fue el gran médico que continuo las tradiciones grecorromanas e introdujo los ensayos clínicos y la farmacología clínica en su enciclopedia El canon de medicina,[17] que se utilizó como texto de referencia para la enseñanza médica europea hasta el siglo XVII.[18][19]
Durante el Renacimiento y principios de la Edad Moderna —beneficiándose del desarrollo de la impresión por Gutenberg alrededor de 1450, con la creciente impresión de libros dedicados a la historia natural profusamente ilustrados con grabados— el pensamiento biológico experimentó una revolución en Europa, con un renovado interés hacia el empirismo y por el descubrimiento de gran cantidad de nuevos organismos. Figuras prominentes de este movimiento fueron Vesalio y Harvey, que utilizaron la experimentación y la observación cuidadosa de la fisiología. Pero la biología comenzó a desarrollarse y crecer rápidamente con la espectacular mejora del microscopio de Anton van Leeuwenhoek. Fue entonces cuando los estudiosos descubrieron los espermatozoides, las bacterias, los infusorios y la diversidad de la vida microscópica, todo un mundo antes desconocido. Las investigaciones de Jan Swammerdam llevaron a un nuevo interés en la entomología y ayudaron a desarrollar las técnicas básicas de disección microscópica y tinción.[Mag. 2]
Los avances en microscopía también tuvieron un profundo impacto en el pensamiento biológico. A principios del siglo XIX, varios biólogos señalaron la importancia central de la célula. Luego, en 1838, Schleiden y Schwann comenzaron a promover las ideas ahora universales de que (1) la unidad básica de los organismos era la célula y (2) que las células individuales tenían todas las características de la vida, aunque se oponían a la idea de que (3) todos las células proviniesen de la división de otras células. Sin embargo, gracias al trabajo de Robert Remak y Rudolf Virchow, en la década de 1860 la mayoría de los biólogos ya aceptaban los tres principios de lo que llegó a conocerse como teoría celular, que proporcionaba una nueva perspectiva sobre los fundamentos de la vida.[20][Co. 1]
A lo largo de los siglos XVIII y XIX algunas ciencias biológicas, como la botánica y la zoología, se convirtieron en disciplinas científicas cada vez más profesionales. Lavoisier y otros científicos físicos comenzaron a unir los mundos animados e inanimados a través de la física y química. Los exploradores-naturalistas, como Alexander von Humboldt investigaron la interacción entre organismos y su entorno, y los modos en que esta relación depende de la situación geográfica, iniciando así la biogeografía, la ecología y la etología. Los naturalistas, a partir de los resultados obtenidos en los campos de la embriología y la paleontología, comenzaron a rechazar el esencialismo y a considerar la importancia de la extinción y la mutabilidad de las especies. La importancia creciente de la teología natural, en parte una respuesta al alza de la filosofía mecánica, y la pérdida de fuerza del argumento teleológico impulsó el crecimiento de la historia natural. Mientras tanto, la taxonomía y la clasificación de la diversidad de la vida y el registro fósil se convirtieron en el centro de atención de los historiadores naturales, así como el desarrollo y el comportamiento de los organismos. Carl Linnaeus publicó una taxonomía básica para el mundo natural en 1735 (cuyas variaciones se han utilizado desde entonces), y en la década de 1750 introdujo nombres científicos para todas sus especies.[Ma. 1] Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon, trató las especies como categorías artificiales y las formas vivas como maleables, sugiriendo incluso la posibilidad de una descendencia común. Aunque se opuso a la evolución, Buffon es una figura clave en la historia del pensamiento evolucionista; su trabajo influyó en las teorías evolutivas tanto de Lamarck como de Darwin.[Ma. 2]
El pensamiento evolutivo serio se originó con las obras de Jean-Baptiste Lamarck, quien fue el primero en presentar una teoría coherente de la evolución.[21] Postuló que la evolución era el resultado del estrés ambiental sobre las propiedades de los animales, lo que significaba que cuanto más frecuente y rigurosamente se usaba un órgano, más complejo y eficiente se volvería, adaptando así al animal a su entorno. Lamarck creía que estos rasgos adquiridos podrían luego transmitirse a la descendencia del animal, que los desarrollaría y perfeccionaría aún más.[22] Sin embargo, fue el naturalista británico Charles Darwin, que combinando el enfoque biogeográfico de Humboldt, la geología uniformista de Lyell, los escritos de Malthus sobre el crecimiento de la población y su propia experiencia morfológica y extensas observaciones naturales, quien forjó una teoría evolutiva más exitosa basada en la selección natural; un razonamiento y pruebas similares llevaron a Alfred Russel Wallace a llegar de forma independiente a las mismas conclusiones.[Ma. 3][La. 1] Aunque fue objeto de controversia (que continúa hasta el día de hoy), la teoría de Darwin se extendió rápidamente a través de la comunidad científica y pronto se convirtió en un axioma central de la ciencia de la biología en rápido desarrollo. El final del siglo XIX vio la caída de la teoría de la generación espontánea y el nacimiento de la teoría microbiana de la enfermedad, aunque el mecanismo de la herencia genética fuera todavía un misterio.
A principios del siglo XX, el redescubrimiento del trabajo de Mendel sobre la representación física de la herencia condujo al rápido desarrollo de la genética por parte de Thomas Hunt Morgan y sus discípulos y la combinación de la genética de poblaciones y la selección natural en la síntesis evolutiva moderna durante los años 1930. En la década de 1940 y principios de la de 1950, los experimentos señalaron que el ADN era el componente de los cromosomas que contenía las unidades portadoras de rasgos que se conoceran como genes. Un enfoque en nuevos tipos de organismos modelo como virus y bacterias, junto con el descubrimiento de Watson y Crick de la estructura de doble hélice del ADN en 1953, marcó la transición a la era de la genética molecular. Desde la década de 1950 hasta la actualidad, la biología se ha extendido enormemente en el dominio molecular. El código genético fue descifrado por Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg después de que se entendiera que el ADN contenía codones. Finalmente, en 1990 se lanzó el Proyecto Genoma Humano con el objetivo de mapear el genoma humano general. Este proyecto se completó esencialmente en 2003,[23] y aún se están publicando análisis adicionales. El Proyecto Genoma Humano fue el primer paso en un esfuerzo globalizado para incorporar el conocimiento acumulado de la biología en una definición funcional y molecular del cuerpo humano y de los cuerpos de otros organismos.
La biología, que tras el establecimiento del dogma central de la biología molecular y del descifrado del código genético, se había dividido fundamentalmente entre la biología orgánica —los campos que trabajan con organismos completos y grupos de organismos— y los campos relacionados con la biología molecular y celular, a finales del siglo XX, con la aparición de nuevos campos como la genómica y la proteómica, invertía esa tendencia, con biólogos orgánicos usando técnicas moleculares, y biólogos moleculares y celulares investigando la interacción entre genes y el entorno, así como la genética de poblaciones naturales de organismos.Historia de la vida en la Tierra
Origen de la vida: la abiogénesis
La abiogénesis (del griego: ἀ-βίο-γένεσις [a-bio-génesis] ‘ἀ-/ἀν- «no» + βίος- «vida» + γένεσις- «origen/principio»’) se refiere al proceso natural del surgimiento u origen de la vida a partir de la no existencia de esta, es decir, partiendo de materia inerte, como simples compuestos orgánicos. Es un tema que ha generado en la comunidad científica un campo de estudio especializado cuyo objetivo es dilucidar cómo y cuándo surgió la vida en la Tierra. La opinión más extendida en el ámbito científico establece la teoría de que la vida comenzó su existencia en algún momento del período comprendido entre 4.410 millones de años —cuando se dieron las condiciones para que el vapor de agua pudiera condensarse por primera vez—[28] y entre 4.280 y 3.770 millones de años atrás —cuando aparecieron los primeros indicios de vida—.[26]
Con el objetivo de reconstruir el evento o los eventos que dieron origen a la vida se emplean diversos enfoques basados en estudios tanto de campo como de laboratorio. Por una parte el ensayo químico en el laboratorio o la observación de procesos geoquímicos o astroquímicos que produzcan los constituyentes de la vida en las condiciones en las que se piensa que pudieron suceder en su entorno natural. En la tarea de determinar estas condiciones se toman datos de la geología de la edad oscura de la tierra a partir de análisis radiométricos de rocas antiguas, meteoritos, asteroides y materiales considerados prístinos, así como la observación astronómica de procesos de formación estelar. Por otra parte, se intentan hallar las huellas presentes en los actuales seres vivos de aquellos procesos mediante la genómica comparativa y la búsqueda del genoma mínimo. Y, por último, se trata de verificar las huellas de la presencia de la vida en las rocas, como microfósiles, desviaciones en la proporción de isótopos de origen biogénico y el análisis de entornos, muchas veces extremófilos semejantes a los paleoecosistemas iniciales.
Existe una serie de observaciones que intentan describir las condiciones fisicoquímicas en las cuales pudo emerger la vida, pero todavía no se tiene un cuadro razonablemente completo dentro del estudio de la complejidad biológica, acerca de cómo pudo ser este origen. Se han propuesto varias teorías, siendo la hipótesis del mundo de ARN y la teoría del mundo de hierro-azufre[29] las más aceptadas por la comunidad científica.El experimento de Miller y Urey y el caldo primigenio
El experimento de Miller y Urey[30][31] representa el inicio de la abiogénesis experimental y la primera comprobación de que se pueden formar moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas en simples condiciones ambientales adecuadas.[32][33] Fue llevado a cabo en 1953 por Stanley Miller y Harold Clayton Urey en la Universidad de Chicago. El experimento fue clave para apoyar a la teoría de la sopa primordial en el origen de la vida de Aleksandr Oparin y John Burdon Sanderson Haldane.[34]
Según este experimento, la síntesis de compuestos orgánicos, como los aminoácidos, debió ser fácil en la Tierra primitiva. Otros investigadores –siguiendo este procedimiento y variando el tipo y las cantidades de las sustancias que reaccionan han producido algunos componentes simples de los ácidos nucleicos y hasta ATP[cita requerida]. Esta experiencia abrió una nueva rama de la biología, la exobiología. Desde entonces, los nuevos conocimientos sobre el ADN y el ARN, condiciones prebióticas en otros planetas y el anuncio de posibles fósiles bacterianos encontrados en meteoritos provenientes de Marte (como el ALH 84001), han renovado la cuestión del origen de la vida.Tabla de los principales eventos en la historia de la vida
Organismos vivos
Los organismos se definen como el conjunto de entidades que manifiestan vida,[36] sin embargo hasta la actualidad no se ha podido definir ni delimitar a los seres vivos con precisión,[35] por lo que se han desarrollado listas con características en común entre ellos, llamadas propiedades de la vida, la cual define que para considerar una entidad como un ser vivo debe de cumplir con las siguientes cualidades; una estructura organizada, metabolismo, homeostasis, crecimiento, reproducción, irritabilidad y evolución;[35] no obstante la lista discrepa dependiendo del autor, por lo que otras listas incluyen; movimiento, adaptación, ADN, carbono, entre otras,[36] como propiedades definitorias que debe tener un ser vivo, o incluso otras listas eliminan características como la reproducción, puesto que no es una propiedad obligatoria de los seres vivos.[35]
El registro más antiguo que se tiene de un organismo vivo es de 3 800 millones de años, cuatrocientos millones de años antes de lo que se conocía anteriormente, de acuerdo a un estudio de 1996 de la Universidad de California en los Ángeles (UCLA).[37]
Niveles de organización
Un organismo vivo es el resultado de los procesos bioquímicos que se dan gracias a la organización compleja de la materia con la siguiente jerarquía:
- Átomo: El átomo es la unidad más pequeña de la materia.
- Molécula: Agrupación definida y ordenada de átomos.
- Macromolécula: Una macromolécula es la unión de una repetición de moléculas biológicas más simples que alcanzan pesos moleculares altos. Las 4 macromoléculas biológicas más importantes de las células animales son los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.
- Orgánulo: Una organela u orgánulo es una estructura subcelular que lleva a cabo uno o más trabajos específicos en la célula, al igual que un órgano lo hace en el cuerpo.
- Célula: Unidad mínima estructural y funcional de los organismos vivos.
- Tejido: Conjunto de células de la misma naturaleza que desempeñan una función en común.[38]
- Órgano: Grupo de diversos tejidos que forman una unidad funcional.[39]
- Aparatos: Sistema de órganos que desempeñan una función particular.[40]
- Organismo: Resultado de la organización y funcionamiento de los niveles anteriores.
- Especie: Grupo de seres semejantes entre sí.[41]
- Población: Conjunto de una especie en una área determinada.[42]
- Comunidad: Población que interactúa en una área determinada.
- Ecosistema: Comunidad que se desarrolla con los medios físicos de un ambiente.[43]
- Biosfera: Conjunto de los recursos donde se desarrolla vida.[44]
Componentes químicos
Agua
El agua es la molécula más común en todos los seres vivos en la Tierra; la masa de la mayoría de los organismos contiene entre un setenta y noventa por ciento de agua, aunque el porcentaje varía considerablemente según la especie, la etapa de desarrollo del individuo y, en organismos multicelulares complejos, el tipo de tejido.[45] Las algas llegan al 98 % de agua en peso, mientras que los pinos contienen un 47 %. El cuerpo humano incluye entre un 65 % a un 75 % de agua en peso, y el porcentaje es menor a medida que la persona crece. El contenido en los tejidos varía entre el 99 % del líquido cefalorraquídeo y el 3 % de la dentina.[46][47]
El agua desempeña un papel biológico importante y todas las formas de vida conocidas dependen del agua a nivel molecular. Sus propiedades como disolvente posibilitan las diversas reacciones químicas de los compuestos orgánicos cruciales para todas las funciones vitales, el transporte de moléculas a través de las membranas y para disolver los productos de excreción.[48] También es un agente activo esencial en muchos de los procesos metabólicos de los seres vivos. La extracción de agua de moléculas —mediante reacciones químicas enzimáticas que consumen energía— permite la síntesis de macromoléculas complejas, como los triglicéridos o las proteínas; el agua actúa asimismo como agente catabólico sobre los enlaces entre átomos, reduciendo el tamaño de moléculas como glucosas, ácidos grasos y aminoácidos, y produciendo energía en el proceso. Es un compuesto esencial para la fotosíntesis. En este proceso, las células fotosintéticas utilizan la energía del sol para separar el oxígeno y el hidrógeno presentes en la molécula de agua; el hidrógeno se combina con CO2 —absorbido del aire o del agua— para formar glucosa, liberando oxígeno en el proceso.[49] El agua, por su carácter anfiprótico es también el eje de las funciones enzimáticas y la neutralidad respecto a ácidos y bases. La bioquímica en muchos medios intracelulares funciona de manera ideal alrededor de un valor pH de alrededor de 7,0 hasta 7,2.[48]
Bioelementos
Son los elementos químicos esenciales para el desarrollo de una especie.[50] Estos se clasifican en dos grupos: primarios y secundarios:<
- Bioelementos primarios: Los constituyen el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, conjunto abreviado comúnmente como 'CHON'. Estos componen hasta el 95% de la masa total de las biomoléculas.
- Bioelementos secundarios: Los conforman el azufre, fósforo, magnesio, calcio, sodio, potasio y cloro. Estos componen hasta el 4.5% de la masa total de las biomoléculas.
Biomoléculas
También conocidas como sustancias orgánicas, son las moléculas que se hallan en todas las células, las cuales están constituidas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Éstas conforman sustancias esenciales para el desarrollo de las especies, entre ellas carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas, entre otros.
| Biomolécula | Clasificación | Subclasificación | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Carbohidratos | También conocidos como glúcidos, son biomoléculas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, estos dos últimos en forma de .[51] Estos componen la principal fuente de energía de las células. Dependiendo con la cantidad de monómeros en su estructura, estos se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. | Monosacáridos | Azúcares simples que no se pueden descomponer en otras por acción del agua.[52] | Glucosa | Aldohexosa que forma un sólido blanco de sabor dulce soluble en agua. Se encuentra en diversos frutos y forma parte de moléculas más complejas.[53] | |||
| Fructosa | Azúcar de las frutas. Unido a la glucosa forma la sacarosa.[54] | |||||||
| Ribosa | Aldopentosa que compone la estructura de algunos ácidos nucleicos.[55] | |||||||
| Disacáridos | Formados por dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico.[56] | Sacarosa | Sustancia cristalina soluble en agua que se encuentra en las cañas dulces, remolacha, entre otros.[57] | |||||
| Lactosa | Azúcar constituida por glucosa y galactosa. Constituye el azúcar de la leche.[58] | |||||||
| Polisacáridos | Formados por varios monosacáridos.[59] | Almidón | Es el principal polisacárido de reserva energética de la mayoría de los vegetales.[60] | |||||
| Celulosa | Constituye las paredes celulares de las células vegetales.[61] | |||||||
| Glucógeno | Es el principal polisacárido de reserva energética animal, cuya sustancia de reserva, al ser utilizada, se transforma en glucosa. Está presente en el hígado y en menor medida los músculos y algunos tejidos.[62] | |||||||
| Lípidos | Los lípidos (del griego lipos que se connota como 'grasa') son biomoléculas formadas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos como el benceno o éter.[63] Los lípidos son el resultado de la esterificación de alcoholes con ácidos grasos, de ahí se clasifican en simples, compuestos y derivados.[63] A pesar de que no todos los lípidos contienen ácidos grasos, a estos se les considera como la unidadmonomérica de estos. | Saponificables | Sustancia grasa que puede convertirse en jabón en la combinación con un hidróxido sódico (NaOH).[64] | Triglicéridos | Éster compuesto por un glicerol y tres ácidos grasos. Es el principal compuesto de la grasa tanto corporal como vegetal.[65] Funge como fuente de reserva energética además de funcionar como aislante térmico en los animales. | Saturados | Aquellos cuyos ácidos grasos son saturados. Son de origen animal y se encuentran en estado sólido a temperatura ambiente, por ejemplo el sebo o la manteca. | |
| Insaturados | Aquellos cuyos ácidos grasos son insaturados. Se les llama aceites. | |||||||
| Fosfolípidos | Lípidos complejos formados por una glicerina, un grupo fosfato y dos ácidos grasos. Son considerados moléculas anfipáticas, es decir que un extremo de esta es polar con una mezcla de y el otro es apolar y no se mezcla con el agua; los fosfolípidos permiten la interacción de con la célula. Estas moléculas forman una capa lipídica la cual conforma la membrana celular. | |||||||
| Ceras | Sustancia sólida,blanda y fundible.[66] Funciona como impermeabilizante. | |||||||
| Insaponificables | No contienen ácidos grasos, por lo tanto no pueden formar jabones. | Esteroides | Sustancia policíclica.[67] Algunas de sus funciones son fungir como componente importante de las membranas celulares donde altera la fluidez de la membrana, además de funcionar como molécula de señalización.[68] | Colesterol | Alcohol derivado de los esteroides. Es insoluble en agua, forma parte de la membrana celular y su consumo en exceso puede producir ateroesclerosis.[69] | |||
| Hormonas sexuales | Andrógenos, estrógenos y progestágenos. | |||||||
| Isoprenoides | Hidrocarburo con grupos funcionales que se encuentra hasta en el 60% de todos los productos naturales.[70][71] | |||||||
| Ácidos nucleicos | Biopolímeros formados por grupos fosfatos, pentosas (ribosa [ARN] o desoxirribosa [ADN]) y bases nitrogenadas. Estos almacenan, envían y codifican la información genética para la síntesis de proteínas.[72][73][74] Estos se encuentran dentro de las células. | ADN | El ácido desoxirribonucleico (ADN) es el nombre científico de un compuesto químico de moléculas[75] autorreplicantes[76] unidos por enlaces covalentes y puentes de hidrógeno. Son un biopolímero[77] constituido de nucleótidos[78] (conformados por una base nitrogenada[35][79] y un grupo fosfato[77]) y azúcar desoxirribosa.[77] Es el sistema central de almacenamiento de información de la mayoría de los seres vivos,[75] y de incluso algunos virus.[75] Establece el material genético de las células y comprende en su secuencia la información para la síntesis de proteínas[77] y moléculas de ARN.[75] La mayor parte del ADN se encuentra en el interior del núcleo, en el caso de una célula eucariota,[80] o en el citoplasma en el caso de una procarionta;[81] lugares donde se forman los cromosomas; estos contienen proteínas llamadas histonas que se unen al ADN.[75] La estructura del ADN consiste en dos cadenas que se enrollan entre ellas para formar una estructura de doble hélice.[63][82] Cada cadena tiene una parte central formada por azúcares (desoxirribosa) y grupos fosfato, a los que se enlazan moléculas llamadas bases nitrogenadas.[75][63] Enganchado a cada azúcar hay una de las siguientes 4 bases: adenina (A), citosina (C), guanina (G), y timina (T).[75][63] Las dos cadenas se mantienen unidas por enlaces entre las bases; la adenina se enlaza con la timina (A-T), y la citosina con la guanina (C-G).[75][63] | |||||
| ARN | El ácido ribonucleico (ARN) son biopolímeros lineales[83] monocatenarios.[84] Adjunto a cada ribosa hay una de cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), uracilo (U), citosina (C) o guanina (G).[84] Existen diferentes tipos de ARN en la célula: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt).[84] | ARN mensajero | Lleva información del ADN a los ribosomas para traducirse durante la síntesis de una proteína.[85] | |||||
| ARN ribosómico | Constituyen gran parte de las ribosas. Su función es ensamblar los aminoácidos para formar proteínas. | |||||||
| ARN de transferencia | Envía los aminoácidos a los ribosomas para la síntesis de proteínas siguiendo la información del ARNm. | |||||||
| Aminoácidos | Sustancia química conformada por un carbono asimétrico unido a un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral (grupo R) la cual constituye las cualidades particulares de cada aminoácido.[86] Existe una gran diversidad de estas sustancias de las cuales solo 20 forman a las proteínas; de estas existen dos clasificaciones para la especie humana: esenciales y no esenciales. | Esenciales | Aquellos que las células de los seres humanos no pueden producir, por lo que deben ingerirlas en su dieta. | Treonina, metionina, lisina, valina, triptófano, leucina, isoleucina, fenilalanina y histidina. | ||||
| No esenciales | Aquellos que las células de los seres humanos si pueden sintetizar. | Glicina, ácido glutámico, ácido aspártico, alanina, arginina, asparagina, cisteína, glutamina, prolina, serina y tirosina. | ||||||
| Proteínas | Sustancia constituida por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, los cuales se forman entre un grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro y la pérdida de una molécula de agua. Cada proteína tiene una secuencia diferente de aminoácidos los cuales determinan las funciones de estas. | Primarias | Formados por una secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos y disulfuros; su estructura indica la cantidad y orden de aminoácidos presentes. | |||||
| Secundarias | Disposición espacial de la secuencia de aminoácidos; se forma por puentes de hidrógeno. | Alfa hélice | Depende de la capacidad de rotación de los carbonos alfa de los aminoácidos; estos enrollan helicoidalmente la cadena de aminoácidos en sentido dextrógiro. En esta estructura hay puentes de hidrógeno entre y cada cuatro aminoácidos. | |||||
| Lámina beta | Los aminoácidos forman una estructura de zigzag asociándose entre sí estableciendo puentes de hidrógeno. | |||||||
| Terciarias | Disposición tridimensional de las proteínas secundarias; tanto alfa hélice, lámina beta y su combinación. Para las proteínas con una sola cadena polipeptídica este nivel es la máxima información estructural que se puede obtener. | Globulares | Estructura con forma de glóbulo y son solubles en agua. Sus funciones son reguladoras y enzimáticas. | |||||
| Fibrosas | Estructura con forma de fibra y no son solubles en agua. Tiene funciones estructurales. | |||||||
| Cuaternarias | Estructura que expone las uniones entre las diversas cadenas polipeptídicas de la proteína. Solo se presentan en proteínas con más de una cadena polipeptídica. | |||||||
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Oligoelementos
Los oligoelementos son minerales que se encuentran en muy bajas dosis en los seres vivos debido a su potencial tóxico pero que son primordiales para el correcto funcionamiento de diferentes procesos vitales. En la siguiente tabla se muestran los más importantes y algunas de sus principales características.
| Elemento de la dieta | Dosis diaria recomendada | Categoría | Descripción | Dolencia por insuficiencia | Exceso |
|---|---|---|---|---|---|
| Potasio | 4700 mg | Esencial | Es un electrolito sistémico y esencial en la regulación del ATP con el sodio. Las fuentes incluyen legumbres, piel de patata, tomates y plátanos. | Hipocalemia | Hipercalemia |
| Cloro | 2300 mg | Esencial | Es necesario para la producción de ácido clorhídrico en el estómago y también se requiere en algunas funciones celulares. La sal común es la fuente más común, al disociarse el cloruro de sodio en cloro y sodio. | Hipocloremia | Hipercloremia |
| Sodio | 1500 mg | Esencial | Es necesario en la regulación del ATP con el potasio. El marisco, la leche y las espinacas son fuentes de sodio, además de la sal. | Hiponatremia | Hipernatremia |
| Calcio | 1300 mg | Esencial | Es necesario para el músculo, el corazón, el aparato digestivo, la formación de huesos y la generación de nuevas células de sangre. Las fuentes más importantes de calcio son la leche, pescado, nueces y semillas. | Hipocalcemia | Hipercalcemia |
| Fósforo | 700 mg | Esencial | Es un componente de los huesos (apatita) y de las células además de formar parte de los procesos de obtención de energía.[87] En contextos biológicos aparece como fosfato.[88] | Hipofosfatemia | Hiperfosfatemia |
| Magnesio | 420 mg | Esencial | Es requerida para el procesamiento del ATP y para los huesos. El magnesio se encuentra en las nueces, en la soja y en la masa del cacao. Véase también: Rol biológico del magnesio | Hipomagnesemia | Hipermagnesemia |
| Zinc | 11 mg | Traza | Es necesaria para producir varias enzimas: carboxypeptidasa, anhidrasa carbónica ... | Deficiencia de zinc | Toxicidad por zinc |
| Hierro | 18 mg | Traza | Forma parte de la molécula de hemoglobina y de los citocromos que forman parte de la cadena respiratoria. Su facilidad para oxidarse le permite transportar oxígeno a través de la sangre combinándose con la hemoglobina para formar la oxihemoglobina. Se necesita en cantidades mínimas porque se reutiliza, no se elimina. Fuentes de hierro son el hígado de muchos animales, semillas como las lentejas... | Anemia | Hemocromatosis |
| Manganeso | 2.3 mg | Oligoelemento | El manganeso tiene un papel tanto estructural como enzimático. Está presente en distintas enzimas, destacando el superóxido dismutasa de manganeso (Mn-SOD), que cataliza la dismutación de superóxidos. | Deficiencia de manganeso | Manganismo |
| Cobre | 900 µg | Oligoelemento | Estimula el sistema inmunitario y es un componente de varias enzimas redox, incluyendo la cytochrome c oxidase. Podemos obtenerlo en los vegetales verdes, el pescado, los guisantes, las lentejas, el hígado, los moluscos y los crustáceos. | Deficiencia de cobre | Enfermedad de Wilson |
| Yodo | 150 µg | Oligoelemento | Se necesita no solo para la síntesis de las hormonas tiroídeas, tiroxina y la triiodothironina y para prevenir la gota, además es probablemente antioxidante y tiene un papel importante en el sistema inmune. | Deficiencia de yodo | yodismo |
| Selenio | 55 µg | Oligoelemento | El dióxido de selenio es un catalizador adecuado para la oxidación, hidrogenación y deshidrogenación de compuestos orgánicos. Factor esencial en la actividad de enzimas antioxidantes como el glutatión peroxidasa. | Deficiencia de selenio | Selenosis |
| Molibdeno | 45 µg | Oligoelemento | Se encuentra en una cantidad importante en el agua de mar en forma de molibdatos (MoO42-), y los seres vivos pueden absorberlo fácilmente de esta forma. Tiene la función de transferir átomos de oxígeno al agua. También forma la xantina oxidasa, la aldehída oxidasa y el sulfito oxidasa.[89] | Deficiencia de molibdeno |
Los siguientes elementos son considerados como oligoelementos:
- Boro. Mantenimiento de la estructura de la pared celular en los vegetales.
- Cromo. Potencia la acción de la insulina y favorece la entrada de glucosa a las células. Su contenido en los órganos del cuerpo decrece con la edad. Los berros, las algas, las carnes magras, las hortalizas, las aceitunas y los cítricos (naranjas, limones, toronjas, etc.), el hígado y los riñones son excelentes proveedores de cromo.
- Cobalto. Componente central de la vitamina B12.
- Cobre. Estimula el sistema inmunitario. Podemos obtenerlo en los vegetales verdes, el pescado, los guisantes, las lentejas, el hígado, los moluscos y los crustáceos.
- Flúor. Se acumula en huesos y dientes dándoles una mayor resistencia.
- Hierro. Forma parte de la molécula de hemoglobina y de los citocromos que forman parte de la cadena respiratoria. Su facilidad para oxidarse le permite transportar oxígeno a través de la sangre combinándose con la hemoglobina para formar la oxihemoglobina. Se necesita en cantidades mínimas porque se reutiliza, no se elimina. Su falta provoca anemia.
- Manganeso. El manganeso tiene un papel tanto estructural como enzimático. Está presente en distintas enzimas, destacando el superóxido dismutasa de manganeso (Mn-SOD), que cataliza la dismutación de superóxidos.
- Molibdeno. Se encuentra en una cantidad importante en el agua de mar en forma de molibdatos (MoO42-), y los seres vivos pueden absorberlo fácilmente de esta forma. Tiene la función de transferir átomos de oxígeno al agua.
- Níquel. Actúa como bio-catalizador, participa en el metabolismo de glúcidos, favorece la absorción de hierro y estabiliza el DNA y el RNA
- Selenio. El dióxido de selenio es un catalizador adecuado para la oxidación, hidrogenación y deshidrogenación de compuestos orgánicos.
- Silicio
- Vanadio. El vanadio es un elemento esencial en algunos organismos. En humanos no está demostrada su esencialidad, aunque existen compuestos de vanadio que imitan y potencian la actividad de la insulina.
- Yodo. El yodo es un elemento químico esencial. La glándula tiroides fabrica las hormonas tiroxina y triyodotironina, que contienen yodo.
- Zinc. El zinc es un elemento químico esencial para las personas: interviene en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos, estimula la actividad de aproximadamente 100 enzimas, colabora en el buen funcionamiento del sistema inmunitario, es necesario para la cicatrización de las heridas, interviene en las percepciones del gusto y el olfato y en la síntesis del ADN.
Para otros elementos, como el litio, el estaño o el cadmio, su esencialidad no está totalmente aceptada; incluso de la anterior lista no está clara la esencialidad del bromo y el boro.
Hay otros elementos que están en una mayor cantidad en los seres humanos, por lo que no se les denomina elementos traza. En orden de abundancia (en peso) en el cuerpo humano: azufre, potasio, sodio, cloro y magnesio.
Los anteriores elementos son esenciales en seres humanos, se llaman microelementos y se encuentran en un 0,05 % a 1 %; hay elementos que solo lo son en unos determinados seres vivos. Por ejemplo, el wolframio es esencial en algunos microorganismos.
Cada elemento tiene un rango óptimo de concentraciones dentro de los cuales el organismo, en esas condiciones, funciona adecuadamente; dependiendo del elemento este rango puede ser más o menos amplio. El organismo deja de funcionar adecuadamente tanto por presentar deficiencia como por presentar un exceso en uno de estos elementos.
Funciones de los oligoelementos más importantes para nuestro organismo. El análisis breve de estos micro minerales y su importancia en el organismo humano.Principios de la biología
A diferencia de la física, la biología no suele describir sistemas biológicos en términos de objetos que obedecen leyes inmutables descritas por la matemática. No obstante, se caracteriza por seguir algunos principios y conceptos de gran importancia, entre los que se incluyen: la universalidad, la evolución, la diversidad, la continuidad, la homeóstasis y las interacciones.
Evolución: el principio central de la biología
Uno de los conceptos centrales de la biología es que toda vida desciende de un antepasado común que ha seguido el proceso de la evolución. De hecho, ésta es una de las razones por la que los organismos biológicos exhiben una semejanza tan llamativa en las unidades y procesos que se han discutido en la sección anterior. Charles Darwin conceptualizó y publicó la teoría de la evolución en la cual uno de los principios es la selección natural (a Alfred Russell Wallace se le suele reconocer como codescubridor de este concepto). Con la llamada síntesis moderna de la teoría evolutiva, la deriva genética fue aceptada como otro mecanismo fundamental implicado en el proceso.
Biogénesis
La biogénesis es el proceso fundamental de la producción de nuevos organismos vivos a partir de otros ya existentes del mismo tipo. Conceptualmente, la biogénesis a veces se atribuye al científico Louis Pasteur (1822-1895) y abarca la creencia de que los seres vivos complejos provienen únicamente de otros seres vivos, mediante la reproducción. Es decir, la vida no surge espontáneamente a partir de material inorgánico, que era lo que sostenía la teoría de la generación espontánea.[90] Pero basándonos en esta última, si la vida alguna vez se originó de materia inorgánica, tuvo que aparecer en la forma de una célula organizada, ya que la investigación científica ha establecido a la célula como la unidad más simple y pequeña de vida independiente. Un ejemplo de la biogénesis puede ser: una araña pone huevos de los que saldrán más arañas.
Esta hipótesis se contrapone a la teoría obsoleta de la generación espontánea:
La afirmación de Pasteur seguía la doctrina de Virchow: «Omnis cellula e cellula» («todas las células a partir de células»),[91] derivada a su vez del trabajo de Robert Remak.[92] Los resultados empíricos de Pasteur —y otros— se resumen en la frase: «Omne vivum ex vivo» (o «Omne vivum ex ovo» en latín, «Toda vida sale de vida»). También conocida como la «ley de la biogénesis». Demostraron que la vida no se origina espontáneamente de cosas no-vivas presentes en el medio.La génération spontanée est une chimère.La generación espontánea es una quimera.Louis Pasteur
Física de la vida: termodinámica biológica
Entropía y vida
Universalidad: bioquímica, células y el código genético
Hay muchas constantes universales y procesos comunes que son fundamentales para conocer las formas de vida. Por ejemplo, todas las formas de vida están compuestas por células, que están basadas en una bioquímica común, que es la química de los seres vivos. Todos los organismos perpetúan sus caracteres hereditarios mediante el material genético, que está basado en el ácido nucleico ADN, que emplea un código genético universal. En la biología del desarrollo la característica de la universalidad también está presente: por ejemplo, el desarrollo temprano del embrión sigue unos pasos básicos que son muy similares en muchos organismos metazoo.
Respiración celular
Respiración aeróbica
La respiración aeróbica la realizan la inmensa mayoría de células, incluidos los humanos. Los organismos que llevan a cabo este tipo de respiración reciben el nombre de organismos aeróbicos porque utilizan el oxígeno para realizar sus procesos biológicos, en otras palabras la respiración celular es el metabolismo energético en el que los seres vivos extraen energía de moléculas orgánicas, oxidando el carbono con oxígeno (el O2 es el aceptor final de electrones). En otras variantes de la respiración, el oxidante es distinto del oxígeno (respiración anaeróbica).[96]
Los seres vivos que llevan a cabo la respiración aeróbica son llamados aerobios. La respiración aeróbica está en todos los organismos eucariontes y en algunos tipos de bacteria y arquea.
En eucariontes, el oxígeno atraviesa la membrana plasmática y luego las membranas mitocondriales,siendo en la matriz de la mitocondria donde se une a electrón electrones y protón protones (que sumados constituyen átomos de hidrógeno) formando agua. En esa oxidación final y en procesos anteriores se obtiene la energía necesaria para la fosforilación del ATP.
En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico, obtenido durante la fase primera anaerobia o glucólisis, es oxidado para proporcionar energía, dióxido de carbono y agua. A esta serie de reacciones se le conoce con catabolismo
La reacción química global de la respiración aeróbica es la siguiente:[97]
Respiración anaeróbica
La respiración anaerobia (o anaeróbica) es un proceso biológico llevado a cabo por los microorganismos anaerobios, que consiste en la oxidorreducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno,[98] y más raramente una molécula orgánica. Se produce a través de una cadena transportadora de electrones análoga a la de la mitocondria en la respiración aeróbica.[99]
No debe confundirse con la fermentación, que es un proceso también anaeróbico, pero en el que no participa nada parecido a una cadena transportadora de electrones y el aceptor final de electrones es siempre una molécula orgánica como el piruvato.Metabolismo
El término metabolismo (acuñado por Theodor Schwann,[100] proveniente del griego μεταβολή, metabole, que significa cambio, más el sufijo -ισμός (-ismo) que significa cualidad, sistema),[101][102] hace referencia a todos los procesos físicos y químicos del cuerpo que convierten o usan energía, tales como: respiración, circulación sanguínea, regulación de la temperatura corporal, contracción muscular, digestión de alimentos y nutrientes, eliminación de los desechos a través de la orina y de las heces y funcionamiento del cerebro y los nervios.[103] Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a escala molecular y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras y responder a estímulos, entre otras.
El metabolismo se divide en dos procesos conjugados, el catabolismo y el anabolismo, que son procesos acoplados, puesto que uno depende del otro:
- Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo de ello es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos.
- Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esa energía para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células, como las proteínas y los ácidos nucleicos.
Este proceso está a cargo de enzimas localizadas en el hígado. En el caso de las drogas psicoactivas a menudo se trata simplemente de eliminar su capacidad de atravesar las membranas de lípidos para que no puedan pasar la barrera hematoencefálica y alcanzar el sistema nervioso central, lo que explica la importancia del hígado y el hecho de que ese órgano sea afectado con frecuencia en los casos de consumo masivo o continuo de drogas.
La economía que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a organizar estrictamente las reacciones químicas del metabolismo en vías o rutas metabólicas en las que un compuesto químico (sustrato) es transformado en otro (producto) y este a su vez funciona como sustrato para generar otro producto, en una secuencia de reacciones en las que intervienen diferentes enzimas (por lo general una para cada sustrato-reacción). Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones fisicoquímicas al convertir posibles reacciones termodinámicas deseadas, pero "no favorables", mediante un acoplamiento, en reacciones favorables. Las enzimas también se comportan como factores reguladores de las vías metabólicas —de las que modifican la funcionalidad, y por ende la actividad completa— en respuesta al ambiente y a las necesidades de la célula o según señales de otras células.
El metabolismo de un organismo determina las sustancias que encontrará nutritivas y las que encontrará tóxicas. Por ejemplo, algunas células procariotas utilizan sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero ese gas es venenoso para los animales.[104] La velocidad del metabolismo, el rango metabólico, también influye en cuánto alimento va a requerir un organismo.
Una característica del metabolismo es la similitud de las rutas metabólicas básicas incluso entre especies muy diferentes. Por ejemplo, la secuencia de pasos químicos en una vía metabólica como el ciclo de Krebs es universal entre células vivientes tan diversas como la bacteria unicelular Escherichia coli y organismos pluricelulares como el elefante.[105]
Es probable que esta estructura metabólica compartida sea el resultado de la alta eficiencia de estas rutas y de su temprana aparición en la historia evolutiva.[106][107]Metabolismo de los carbohidratos
Se define como metabolismo de los glúcidos a los procesos bioquímicos de formación, ruptura y conversión de los glúcidos en los organismos vivos. Los glúcidos son las principales moléculas destinados al aporte de energía, gracias a su fácil metabolismo.
El glúcido más común es la glucosa: un monosacárido metabolizado por casi todos los organismos conocidos. La oxidación de un gramo de glúcidos genera aproximadamente 4 kcal de energía; algo menos de la mitad que la generada desde lípidos.
| Reacción global de la glucólisis[108] |
|---|
| + |
| Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O |
Metabolismo de los lípidos
La expresión metabolismo de los lípidos se refiere al proceso que involucra la síntesis y degradación en los organismos vivos de los lípidos, es decir, sustancias insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos.
Los tipos de lípidos que usualmente se consideran son:
- Sales biliares
- Colesteroles
- Eicosanoides
- Glucolípidos
- Cuerpos cetónicos
- Ácidos grasos - véase también metabolismo de los ácidos grasos
- Fosfolípidos
- Esfingolípidos
- Esteroides - véase también esteroidogénesis
- Triacilgliceroles (grasas) - véase también lipólisis y lipogénesis
- Céridos
- Terpenoides
Metabolismo de las proteínas
Los términos metabolismo de las proteínas o metabolismo proteico hacen referencia a los diversos procesos bioquímicos responsables de la síntesis de proteínas y de aminoácidos, por medio del anabolismo proteico, y la degradación de proteínas (y otras grandes moléculas) por medio del catabolismo proteico.
Los pasos de la síntesis de proteínas incluyen transcripción, traducción y modificaciones postraduccionales. Durante la transcripción, la ARN polimerasa transcribe una región codificante del ADN en una célula produciendo una secuencia de ARN, específicamente ARN mensajero (ARNm). Esta secuencia de ARNm contiene codones: segmentos largos de 3 nucleótidos que codifican un aminoácido específico. Los ribosomas traducen los codones a sus respectivos aminoácidos.[109]En los seres humanos, los aminoácidos no esenciales se sintetizan a partir de intermediarios en las principales vías metabólicas, como el ciclo del ácido cítrico.[110] Los aminoácidos esenciales deben consumirse y se fabrican en otros organismos. Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos formando una cadena polipeptídica. Esta cadena polipeptídica luego pasa por modificaciones postraduccionales y, a veces, se une con otras cadenas polipeptídicas para formar una proteína completamente funcional.Metabolismo de los ácidos nucleicos
Fotosíntesis
La fotosíntesis o función clorofílica es un proceso químico que consiste en la conversión de materia inorgánica a materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz solar. En este proceso, la energía lumínica se transforma en energía química estable, siendo el NADPH (nicotín adenín dinucleótido fosfato) y el ATP (adenosín trifosfato) las primeras moléculas en la que queda almacenada esta energía química. Con posterioridad, el poder reductor del NADPH y el potencial energético del grupo fosfato del ATP se usan para la síntesis de hidratos de carbono a partir de la reducción del dióxido de carbono (CO2). La vida en nuestro planeta se mantiene fundamentalmente gracias a la síntesis que realizan en el medio acuático las algas, las cianobacterias, las bacterias rojas, las bacterias púrpuras, bacterias verdes del azufre,[112] y en el medio terrestre las plantas, que tienen la capacidad de sintetizar materia orgánica (imprescindible para la constitución de los seres vivos) partiendo de la luz y la materia inorgánica. De hecho, cada año los organismos fotosintetizadores fijan en forma de materia orgánica en torno a 100 000 millones de toneladas de carbono.[113][114]
La vida en la Tierra depende fundamentalmente de la energía solar. Esta energía es atrapada mediante la fotosíntesis, responsable de la producción de toda la materia orgánica de la vida (biomasa).
Los orgánulos citoplasmáticos encargados de la realización de la fotosíntesis son los cloroplastos, unas estructuras polimorfas y de color verde (esta coloración es debida a la presencia del pigmento clorofila) propias de las células vegetales. En el interior de estos orgánulos se halla una cámara que alberga un medio interno llamado estroma, que alberga diversos componentes, entre los que cabe destacar enzimas encargadas de la transformación del dióxido de carbono en materia orgánica y unos sáculos aplastados denominados tilacoides, cuya membrana contiene pigmentos fotosintéticos. En términos medios, una célula foliar tiene entre cincuenta y sesenta cloroplastos en su interior.[113]
Los organismos que tienen la capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis son llamados, fotoautótrofos (otra nomenclatura posible es la de autótrofos, pero se debe tener en cuenta que bajo esta denominación también se engloban aquellas bacterias que realizan la quimiosíntesis) y fijan el CO2 atmosférico. En la actualidad se diferencian dos tipos de procesos fotosintéticos, que son la fotosíntesis oxigénica y la fotosíntesis anoxigénica. La primera de las modalidades es la propia de las plantas superiores, las algas y las cianobacterias, donde el dador de electrones es el agua y, como consecuencia, se desprende oxígeno. Mientras que la segunda, también conocida con el nombre de fotosíntesis bacteriana, la realizan las bacterias purpúreas y verdes del azufre, en las que el dador de electrones es el sulfuro de hidrógeno (H2S), y consecuentemente, el elemento químico liberado no será oxígeno sino azufre, que puede ser acumulado en el interior de la bacteria, o en su defecto, expulsado al agua.[115]
Se ha encontrado animales capaces de favorecerse de la fotosíntesis, tales como Elysia chlorotica, una babosa marina con apariencia de hoja, y Ambystoma maculatum, una salamandra. [116][117][118][119][120]
A comienzos del año 2009, se publicó un artículo en la revista científica Nature Geoscience en el que científicos estadounidenses daban a conocer el hallazgo de pequeños cristales de hematita (en el cratón de Pilbara, en el noroeste de Australia), un mineral de hierro datado en el eón Arcaico, reflejando así la existencia de agua rica en oxígeno y, consecuentemente, de organismos fotosintetizadores capaces de producirlo. Según este estudio y atendiendo a la datación más antigua del cratón, la existencia de fotosíntesis oxigénica y la oxigenación de la atmósfera y océanos se habría producido desde hace más de 3.460 millones de años, de lo que se deduciría la existencia de un número considerable de organismos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis para oxigenar la masa de agua mencionada, aunque solamente fuese de manera ocasional, si bien la formación biológica de dichos restos está cuestionada.[121][122][123]Comunicación celular
Mensajero químico
Un mensajero químico es una sustancia que sirve para que las células se comuniquen entre sí, generando una respuesta de la célula receptora, dando lugar a cambios en la función de esta última.
Los mensajeros químicos pueden clasificarse en:
- Hormonas: según la definición de Roger Guillemin, una hormona es cualquier sustancia que liberada por una célula actuase sobre otra célula del mismo organismo.
- Neurotransmisores: (aunque, para algunos autores, son hormonas con un funcionamiento muy concreto): biomoléculas que transmiten información de una neurona a otra neurona consecutiva, unidas mediante una sinapsis.
- Feromonas: son mensajeros químicos producidos por un organismo que provocan respuesta en otro individuo, en lugar de en el mismo que las produce. Quedarían, por tanto, fuera de la categoría de hormonas (en términos prácticos, pueden considerarse "hormonas externas").
- Sustancias autacoides.
Segundo mensajero
En bioquímica y biología molecular se denomina segundo mensajero a toda molécula que transduce señales extracelulares corriente abajo en la célula, hasta inducir un cambio fisiológico en un efector, como, por ejemplo, una kinasa o un factor de transcripción.[124] Estas moléculas se caracterizan por poseer un bajo peso molecular y por su facilidad para variar en un rango de concentraciones amplio, dependiendo de la presencia o no de señales que estimulen su presencia.[125]
Las hormonas que se unen a las superficies de células se comunican con procesos metabólicos intracelulares por medio de moléculas intermediarias llamadas segundos mensajeros (la hormona en sí es el primer mensajero), que se generan como consecuencia de la interacción entre ligando y receptor.[126]Teoría celular
El concepto moderno de teoría celular se puede resumir en los siguientes principios:
- Todos los seres vivos están formados por células, bacterias y otro tipo de organismos, o por sus productos de secreción.[127] La célula es la unidad estructural de la materia viva, y dentro de los diferentes niveles de complejidad biológica, una célula puede ser suficiente para constituir un organismo.[128][129] Sin embargo en la naturaleza encontramos múltiples tipos de organismos multicelulares que son parte de la naturaleza expresados a manera macroscópica manteniendo un potencial extenso en lo que respecta funciones biológicas conformativas.[130]
- Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, controladas por sustancias que ellas segregan. Cada célula es un sistema abierto único e irrepetible, que intercambia materia y energía con su medio. En una célula caben todas las funciones vitales, de manera que basta una célula para tener un ser vivo (que será un ser vivo unicelular). Así pues, la célula es la unidad fisiológica de la vida.[131]
- Todas las células proceden de células procariotas preexistentes, por división de éstas (Omnis cellula e cellula[132]) o célula madre. Es la unidad de origen de todos los seres vivos. Esto determina además de la sucesión y conservación de estas unidades, las pertinencias sobre ciertas características homólogas entre las eucariotas y las procariotas de manera que fundamenta el hecho de haber establecido a las células procariotas como las primeras en este mundo y las más primitivas.[133][134]
Células
La célula (del latín cellula, diminutivo de cella, ‘celda’)[135] es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo.[136] De este modo, puede clasificarse a los organismos vivos según el número de células que posean: si solo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares. En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones (1014), como en el caso del ser humano. Las células suelen poseer un tamaño de 10 µm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores.
La teoría celular, propuesta en 1838 para los vegetales y en 1839 para los animales,[137] por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann, postula que todos los organismos están compuestos por células, y que todas las células derivan de otras precedentes. De este modo, todas las funciones vitales emanan de la maquinaria celular y de la interacción entre células adyacentes; además, la tenencia de la información genética, base de la herencia, en su ADN permite la transmisión de aquella de generación en generación.[138]
La aparición del primer organismo vivo sobre la Tierra suele asociarse al nacimiento de la primera célula. Si bien existen muchas hipótesis que especulan cómo ocurrió, usualmente se describe que el proceso se inició gracias a la transformación de moléculas inorgánicas en orgánicas bajo unas condiciones ambientales adecuadas; tras esto, dichas biomoléculas se asociaron dando lugar a entes complejos capaces de autorreplicarse. Existen posibles evidencias fósiles de estructuras celulares en rocas datadas en torno a 4 o 3,5 miles de millones de años (gigaaños o Ga).[139][140][141] Se han encontrado evidencias muy fuertes de formas de vida unicelulares fosilizadas en microestructuras en rocas de la formación Strelley Pool, en Australia Occidental, con una antigüedad de 3,4 Ga.[cita requerida] Se trataría de los fósiles de células más antiguos encontrados hasta la fecha. Evidencias adicionales muestran que su metabolismo sería anaerobio y basado en el sulfuro.[142]Célula procariota
Una célula procariota o procarionte es un organismo unicelular, cuyo material genético se encuentra disperso en el citoplasma, reunido en una zona denominada nucleoide.[143] Por el contrario, las células que sí tienen un núcleo diferenciado del citoplasma, se llaman eucariotas, es decir, aquellas en las que su ADN se encuentra dentro de un compartimento separado del resto de la célula.[144]
Además, el término procariota hace referencia a los organismos pertenecientes al dominio Prokaryota, cuyo concepto coincide con el reino Monera de las clasificaciones de Herbert Copeland o Robert Whittaker que, aunque anteriores, continúan siendo aún populares.[145]
Casi sin excepción los organismos basados en células procariotas son unicelulares.[146]
Se cree que todos los organismos que existen actualmente derivan de una forma unicelular procariota (LUCA).[147]
Existe una teoría, llamada endosimbiosis seriada, que considera que a lo largo de un lento proceso evolutivo, hace unos 2300 millones de años,[148] los procariontes derivaron en seres más complejos por asociación simbiótica: los eucariotes.Célula eucariota
Las células eucariotas —del griego eu, 'buen', y karyon, 'nuez'— son las células propias de los organismos eucariotas, las cuales se caracterizan por presentar siempre un citoplasma compartimentado por membranas lipídicas y un núcleo celular organizado.[149] Este núcleo celular está cubierto por una envoltura nuclear que contiene el ácido desoxirribonucleico o ADN, necesario para el desarrollo y funcionamiento del organismo.[150] Las células eucariotas se distinguen así de las células procariotas, que carecen de núcleo definido y cuyo material genético se encuentra disperso en el citoplasma. A los organismos formados por células eucariotas se les denomina eucariontes.
El paso evolutivo de procariotas a eucariotas significó el gran salto en complejidad de la vida y el más importante después del origen de la vida. Sin la complejidad que adquirieron las células eucariotas, no habrían sido posibles ulteriores pasos como la aparición de los organismos pluricelulares; la vida, probablemente, se habría limitado a constituirse en un conglomerado de bacterias. De hecho, a excepción de procariontes (del que proceden), los cuatro reinos restantes (animales, plantas, hongos y protistas) son el resultado de ese salto cualitativo. El éxito de estas células eucariotas posibilitó las posteriores radiaciones adaptativas de la vida, que han desembocado en la gran variedad de especies que existen en la actualidad.| Célula animal típica | Célula vegetal típica |
|---|---|
1. Nucléolo | a. Plasmodesmos
h. Mitocondria
p. Ribosomas |
Presión osmótica
La ósmosis tiene una gran importancia en los seres vivos. Las células de los organismos están rodeadas por fluidos acuosos, como la sangre, la linfa, o la savia, que contienen concentraciones de diferentes solutos. Las membranas celulares son permeables al agua, al oxígeno, al nitrógeno, al dióxido de carbono, y a otras moléculas orgánicas de pequeño tamaño, como glucosa o aminoácidos, mientras que son impermeables a las moléculas poliméricas, como proteínas y polisacáridos. En cambio, los iones inorgánicos y los disacáridos, como la sacarosa, pasan muy lentamente a través de las membranas celulares.
Las células también tienen la capacidad de transportar especies químicas a través de su membrana desde una región de baja concentración de la especie a una región de concentración más elevada, en sentido contrario al del flujo espontáneo. Los mecanismos que originan este tipo de transporte, denominado transporte activo, son complejos y todavía no se conocen totalmente. Un ejemplo típico de transporte activo es el de cationes potasio, K+, hacia el interior de las células desde los líquidos circundantes, que tienen menor concentración de cationes potasio.
En ausencia de transporte activo, la membrana celular permite el paso de moléculas de agua y de todos los solutos permeables hasta que se igualen sus respectivos potenciales químicos a ambos lados de la membrana. No obstante, existe un gran número de especies, tanto en el fluido que rodea la célula como en el fluido celular o citoplasma, que no pueden atravesar la membrana. Si la concentración total de este soluto es más grande en el fluido que rodea la célula, esta perderá agua por ósmosis, y se dice que el fluido circundante es hipertónico respecto al fluido celular (tiene mayor presión osmótica). En caso contrario, cuando la concentración total del soluto que no puede atravesar la membrana es mayor en el fluido de la célula, esta ganará agua del líquido hipotónico circundante (de menor presión osmótica). Cuando no se produce transferencia neta de agua entre el fluido celular y el que rodea la célula, se dice que los dos fluidos son isotónicos, es decir, tienen la misma presión osmótica. La sangre y la linfa son aproximadamente isotónicos respecto de las células de un organismo.
Los líquidos de las inyecciones contienen una disolución salina isotónica con la sangre, porque si se inyectara agua directamente, los eritrocitos de la sangre la absorberían por ósmosis hasta estallar.[151]Potencial de membrana
Potencial de acción
Un potencial de acción es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular modificando su distribución de carga eléctrica.[152] Los potenciales de acción se utilizan en el cuerpo para llevar información entre unos tejidos y otros, lo que hace que sean una característica microscópica esencial para la vida. Pueden generarse por diversos tipos de células corporales, pero las más activas en su uso son las células del sistema nervioso para enviar mensajes entre células nerviosas (sinapsis) o desde células nerviosas a otros tejidos corporales, como el músculo o las glándulas.
Muchas plantas también generan potenciales de acción que viajan a través del floema para coordinar su actividad. La principal diferencia entre los potenciales de acción de animales y plantas es que las plantas utilizan flujos de potasio y calcio mientras que los animales utilizan potasio y sodio.
Los potenciales de acción son el camino fundamental de transmisión de códigos neurales. Sus propiedades pueden frenar el tamaño de cuerpos en desarrollo y permitir el control y coordinación centralizados de órganos y tejidos.Potencial de reposo
Endocitosis y exocitosis
Las endocitosis de vesículas son eventos biológicos fundamentales, que presentan cierta relación con las exocitosis, en la liberación de neurotransmisores dentro de la sinapsis, se basa en un ciclo sostenible entre estos dos procesos.[153] La vesícula de exocitosis, haciendo uso de la membrana plasmática, libera contenido vesiculares para ejercer diversas e importantes funciones. Entre ellas están: la participación en la secreción de los transmisores de las neuronas, proceso esencial para las funciones cerebrales; la secreción neuronal de péptidos (como el neuropéptido Y) y hormonas (por ejemplo, la vasopresina, oxitocina), brinda una regulación del trabajo y del estado mental; la secreción de insulina de las células pancreáticas para regular el nivel de glucosa en la sangre; la secreción de catecolaminas y péptidos (implicado en la respuesta al estrés); además, la exocitosis desempeñada por las células sanguíneas para las respuestas inmunitarias.
Las funciones de la exocitosis en el organismo son de vital importancia. El papel de la endocitosis también adquiere gran relevancia puesto a que tras la exocitosis continua, se requiere de la endocitosis para mantener la estructura de la terminal del nervio, además de asegurar la disponibilidad funcional de las vesículas sinápticas. La membrana vesicular y las proteínas se recuperan a partir de la membrana plasmática por medio de este proceso.[153][154] Para este fin la endocitosis realiza el reciclaje de vesículas y protege a las células secretoras de la hinchazón o contracción.
Se proponen dos modelos para el funcionamiento de este procedimiento, el primero sugiere que las vesículas se someten a una secuencia reversible de exo-endocitosis, por medio del cual se preserva la identidad bioquímica de las vesículas tanto durante como después de la conexión transitoria entre la membrana de la vesícula y la membrana plasmática. El otro modelo establece que durante la exocitosis, la membrana de la vesícula se añade totalmente a la membrana plasmática y la recuperación se da tiempo después en un punto diferente de la membrana plasmática por endocitosis mediada por clatrina.[153]División celular
La división celular es una parte muy importante del ciclo celular en la que una célula inicial se divide para formar células hijas.[155] Debido a la división celular se produce el crecimiento de los seres vivos. En los organismos pluricelulares este crecimiento se produce gracias al desarrollo de los tejidos y en los seres unicelulares mediante la reproducción asexual.
El ciclo celular es el conjunto ordenado de sucesos que conducen al crecimiento de la célula y la división en dos células hijas. Estos procesos incluyen la duplicación previa del material genético (genoma) y la posterior segregación de los cromosomas duplicados en las células hijas, además de la multiplicación de otros orgánulos y macromoléculas celulares.[156]
Los seres pluricelulares reemplazan su dotación celular gracias a la división celular y suele estar asociada con la diferenciación celular. En algunos animales la división celular se detiene en algún momento y las células acaban envejeciendo. Las células senescentes se deterioran y mueren debido al envejecimiento del cuerpo. Las células dejan de dividirse porque los telómeros se vuelven cada vez más cortos en cada división y no pueden proteger a los cromosomas como tal.
Las células hijas de las divisiones celulares, en el desarrollo temprano embrionario, contribuyen de forma desigual a la generación de los tejidos adultos.Ciclo celular
El ciclo celular es un conjunto ordenado de sucesos que conducen al crecimiento de la célula y la división en dos células hijas. Las etapas son: G1-S-G2 y M. El estado G1 quiere decir «GAP 1» (Intervalo 1). El estado S representa la «síntesis», en el que ocurre la replicación del ADN. El estado G2 representa «GAP 2» (Intervalo 2). El estado M representa «la fase m, y agrupa a la mitosis o meiosis (reparto de material genético nuclear) y la citocinesis (división del citoplasma). Las células que se encuentran en el ciclo celular se denominan «proliferantes» y las que se encuentran en fase G0 se llaman células «quiescentes».[157] Todas las células se originan únicamente de otra existente con anterioridad.[158] El ciclo celular se inicia en el instante en que aparece una nueva célula, descendiente de otra que se divide, y termina en el momento en que dicha célula, por división subsiguiente, origina dos nuevas células hijas.
Mitosis
En biología, la mitosis es un proceso que ocurre en el núcleo de las células eucariotas y que precede inmediatamente a la división celular. Consiste en el reparto equitativo del material hereditario (ADN) característico.[159][160] Este tipo de división ocurre en las células somáticas y normalmente concluye con la formación de dos núcleos (cariocinesis), seguido de otro proceso independiente de la mitosis que consiste en la separación del citoplasma (citocinesis), para formar dos células hijas.
La mitosis completa, que produce células genéticamente idénticas, es el fundamento del crecimiento, de la reparación tisular y de la reproducción asexual. La otra forma de división del material genético de un núcleo se denomina meiosis.Meiosis
Meiosis (del griego μείωσις [meíōsis], 'disminución')[161] es una de las formas de la reproducción celular, se produce en las gónadas para la producción de gametos. La meiosis es un proceso de división celular en la que una célula diploide (2n) experimenta dos divisiones sucesivas, con la capacidad de generar cuatro células haploides (n). En los organismos con reproducción sexual tiene importancia ya que es el mecanismo por el cual se producen los gametos: espermatozoides y ovocitos.[162]
Este proceso se lleva a cabo en dos divisiones nucleares y citoplasmáticas, llamadas primera división y segunda división meióticas o simplemente meiosis I o (MI), y meiosis II o (MII). Ambas divisiones meióticas comprenden profase, metafase, anafase y telofase.
Durante la meiosis I (MI), los miembros de cada par homólogo de cromosomas se emparejan durante la profase, formando bivalentes. Durante esta fase se forma una estructura proteica denominada complejo sinaptonémico, permitiendo que se produzca la recombinación entre ambos cromosomas homólogos. Posteriormente, se produce una gran condensación cromosómica y los bivalentes se sitúan en la placa ecuatorial durante la primera metafase, dando lugar a la migración de n cromosomas a cada uno de los polos durante la primera anafase. Esta división reduccional es la responsable del mantenimiento del número cromosómico característico de cada especie.
En la meiosis II, las cromátidas hermanas que forman cada cromosoma se separan y se distribuyen entre los núcleos de las células hijas. Entre estas dos etapas sucesivas, no existe la etapa S (replicación del ADN). La maduración de las células hijas dará lugar a los gametos.Genética
La genética (del griego antiguo: γενετικός, guennetikós, ‘genetivo’, y este de γένεσις, génesis, ‘origen’)[163][164][165] es el área de estudio de la biología que busca comprender y explicar cómo se transmite la herencia biológica de generación en generación mediante el ADN. Se trata de una de las áreas fundamentales de la biología moderna, abarcando en su interior un gran número de disciplinas propias e interdisciplinarias que se relacionan directamente con la bioquímica, medicina, y la biología celular.
El principal objeto de estudio de la genética son los genes, formados por segmentos de ADN y ARN, tras la transcripción de ARN mensajero, ARN ribosómico y ARN de transferencia, los cuales se sintetizan a partir de ADN. El ADN controla la estructura y el funcionamiento de cada célula, tiene la capacidad de crear copias exactas de sí mismo tras un proceso llamado replicación.Leyes de Mendel
Las leyes de Mendel (en conjunto conocidas como genética mendeliana) son el conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia genética de las características de los organismos progenitores a su descendencia. Constituyen el fundamento de la genética. Las leyes se derivan del trabajo sobre cruces entre plantas realizado por Gregor Mendel, un monje agustino austriaco, publicado en 1865 y en 1866, aunque fue ignorado durante mucho tiempo hasta su redescubrimiento en 1900.
La historia de la ciencia encuentra en la herencia mendeliana un hito en la evolución de la biología, solo comparable con las leyes de Newton en el desarrollo de la física. Tal valoración se basa en que Mendel fue el primero en formular con total precisión una nueva teoría de la herencia, expresada en lo que se llamaría «leyes de Mendel», que se enfrentaba a la poco rigurosa teoría de la herencia, por mezcla de sangre. Esta teoría aportó a los estudios biológicos las nociones básicas de la genética moderna.[166]
No obstante, no fue solo su trabajo teórico lo que brindó a Mendel su envergadura científica; no menos notables han sido los aspectos epistemológicos y metodológicos de su investigación. El reconocimiento de la importancia de una experimentación rigurosa y sistemática y la expresión de los resultados observacionales en forma cuantitativa mediante el recurso de la estadística ponían de manifiesto una postura epistemológica novedosa para la biología.[167] Por eso, Mendel suele ser concebido como el paradigma del científico que, a partir de la meticulosa observación libre de prejuicios, logra inferir inductivamente sus leyes, que constituirían los fundamentos de la genética. De este modo se ha integrado el trabajo de Mendel a la enseñanza de la biología: en los textos, la teoría mendeliana aparece constituida por las famosas tres leyes, concebidas como generalizaciones inductivas a partir de los datos recogidos de la experimentación.[168]Cromosomas
Sabemos que el ADN, sustancia fundamental del material cromático difuso (así se observa en la célula de reposo), está organizado estructural y funcionalmente junto a ciertas proteínas y ciertos constituyentes en formas de estructuras abastonadas llamadas cromosomas. Las unidades de ADN son las responsables de las características estructurales y metabólicas de la célula y de la transmisión de estos caracteres de una célula a otra. Estas reciben el nombre de genes y están colocadas en un orden lineal a lo largo de los cromosomas.
Genes
El gen es la unidad básica de material hereditario, y físicamente está formado por un segmento del ADN del cromosoma. Atendiendo al aspecto que afecta a la herencia, esa unidad básica recibe también otros nombres, como: recón, cuando lo que se completa es la capacidad de recombinación (el recón será el segmento de ADN más pequeño con capacidad de recombinarse), y mutón, cuando se atiende a las mutaciones (y, así, el mutón será el segmento de ADN más pequeño con capacidad de mutarse).
En términos generales, un gen es un fragmento de ADN que codifica una proteína o un péptido.
Expresión génica
La expresión génica es el proceso por medio del cual todos los organismos, tanto procariotas como eucariotas transforman la información codificada por los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo, funcionamiento y reproducción con otros organismos. La expresión génica es clave para la creación de un fenotipo.
En todos los organismos el contenido del ADN de todas sus células (salvo en los gametos) es esencialmente idéntico. Esto quiere decir que contienen toda la información necesaria para la síntesis de todas las proteínas. Pero no todos los genes se expresan al mismo tiempo ni en todas las células.
Exceptuando a los genes constitutivos, (genes que se expresan en todas las células del organismo y codifican proteínas que son esenciales para su funcionamiento general) todos los demás genes se expresan o no dependiendo de la función de la célula en un tejido particular. Por ejemplo, genes que codifican proteínas responsables del transporte axonal se expresan en neuronas pero no en linfocitos en donde se expresan genes responsables de la respuesta inmune. También existe especificidad temporal, esto quiere decir que los diferentes genes en una célula se encienden o se apagan en diferentes momentos de la vida de un organismo. Además, la regulación de los genes varía según las funciones de estos.[169]Genotipo
El genotipo se refiere a la información genética que posee un organismo en particular, en forma de ADN.[170] Normalmente el genoma de una especie incluye numerosas variaciones o polimorfismos en muchos de sus genes. El genotipado se usa para determinar qué variaciones específicas existen en el individuo. El genotipo, junto con factores ambientales que actúan sobre el ADN (adaptación genética al entorno), determina las características del organismo, es decir, su fenotipo. De otro modo, el genotipo puede definirse como el conjunto de alelos/genes de un organismo y el fenotipo como el conjunto de rasgos de un organismo. Por tanto, los científicos y los médicos hablan a veces por ejemplo del genotipo de un cáncer particular, separando así la enfermedad del enfermo. Aunque pueden cambiar los codones para distintos aminoácidos por una mutación aleatoria (combinando la secuencia que codifica un gen, eso no altera necesariamente el fenotipo).
Es importante tener en cuenta que el genoma hace referencia a los genes de los que dispone una especie, sin tener en cuenta qué información genética viene codificada por dichos genes. Así, los humanos y los cerdos compartimos el gen que codifica para la insulina, aunque la secuencia de nucleótidos en el ADN (residuos de aminoácidos en la proteína) sea distinta. El genotipo, por tanto, hace referencia a qué viene escrito en el conjunto de genes que posee un individuo. Así, la hemoglobinopatía S, anemia drepanocítica o falciforme se produce como consecuencia de una alteración genética. El gen que está mutado es el mismo un individuo sano y en un individuo enfermo si hablamos en el contexto o dimensión de "genoma"; la variación ocurre en el contexto de "genotipo", ya que, aun siendo los mismos genes, estos pueden contener información distinta (distintos alelos). La interacción de estos alelos y el ambiente hará que se exprese un fenotipo u otro (personas heterocigóticas no suelen expresar la enfermedad a no ser que haya factores precipitantes: interacción alelo-ambiente).Fenotipo
En biología y específicamente en genética, se denomina fenotipo a la expresión del genotipo en función de un determinado ambiente.[171] Los rasgos fenotípicos cuentan con rasgos tanto físicos como conductuales. Es importante destacar que el fenotipo no puede definirse exclusivamente como la "manifestación visible" del genotipo, pues a veces las características que se estudian no son visibles en el individuo, como es el caso de la presencia de una enzima.
Un fenotipo es cualquier característica o rasgo observable de un organismo, como su morfología, desarrollo, propiedades bioquímicas, fisiología y comportamiento. La diferencia entre genotipo y fenotipo es que el genotipo se puede distinguir observando el ADN, y el fenotipo puede conocerse por medio de la observación de la apariencia externa de un organismo. Richard Dawkins en su libro El fenotipo extendido (1982) ha generalizado la idea del fenotipo para incluir características heredables externas al cuerpo del organismo, como pueden ser los nidos de las aves o incluso el comportamiento patológico que un parásito induce en su anfitrión.Tejidos
Tejidos animales
Tejidos vegetales
Los principales tejidos de los organismos eucariontes son los siguientes:
- Tejido de crecimiento: también llamados meristemos o tejidos meristemáticos, tienen por función la de dividirse por mitosis en forma continua. Se distinguen los meristemos primarios, ubicados en las puntas de tallos y raíces y encargados de que el vegetal crezca en longitud, y los meristemos secundarios, responsables de que la planta crezca en grosor. A partir de las células de los meristemos derivan todas las células de los vegetales.
- Tejido protector: también llamado sistema integumentario o tegumento, está constituido por células que recubren el exterior. Los tegumentos son de dos tipos: la epidermis, formada por células transparentes que cubren las hojas y los tallos jóvenes, y el súber (corcho), que tiene células muertas de gruesas paredes alrededor de raíces viejas, tallos gruesos y troncos.
- Tejido de sostén: posee células con gruesas paredes de celulosa y de forma alargada, que le brindan rigidez al vegetal. Son abundantes en las plantas leñosas (árboles y arbustos) y muy reducidos en las plantas herbáceas.
- Tejido parenquimático: formado por células que se encargan de la nutrición. Los principales son el parénquima clorofílico, cuyas células son ricas en cloroplastos para la fotosíntesis, y el parénquima de reserva, con células que almacenan sustancias nutritivas.
- Tejido conductor: son células cilíndricas que, al unirse, forman tubos por donde circulan sustancias nutritivas. Se diferencian dos tipos de conductos: el xilema, por donde circulan agua y sales minerales (savia bruta), y el floema, que transporta agua y sustancias orgánicas (savia elaborada), producto de la fotosíntesis y que sirven de nutrientes a la planta.
- Tejido secretor: son conjuntos de células encargadas de segregar sustancias, como la resina de los pinos.
Anatomía: Sistemas y aparatos
Un sistema es un grupo de órganos formados predominantemente por los mismos tipos de tejidos que realizan una función coordinada. Un aparato es un grupo de órganos que desempeñan una función común, los órganos que forman el aparato tienen diferente origen embriológico. En la actualidad esta diferenciación ha perdido vigencia y la mayor parte de los textos de anatomía y fisiología usan de forma indistinta los dos términos.[172]
- Sistema inmunológico. Proporciona la capacidad para que el cuerpo distinga sus propias células y tejidos de las células de los agentes externos. Destruye las bacterias y virus patógenos mediante varios mecanismos, entre ellos el sistema del complemento, los anticuerpos y diferentes tipos de células, entre ellas los linfocitos, localizadas principalmente en médula ósea, timo, bazo, ganglios linfáticos y tejido linfoide asociado a las mucosas (MALT).
- Sistema tegumentario: Comprende la piel, pelo, uñas y glándulas sudoríparas. Actúa como una barrera entre el ambiente externo y el ambiente interno que sirve para proteger el cuerpo, mantener el equilibrio hídrico y regular la temperatura corporal. Contiene numerosos receptores sensoriales.
- Sistema nervioso: Su función es la recogida, transferencia y procesado de información, así como la emisión de impulsos motores que alcanzan los músculos y provocan el movimiento. Está formado por el sistema nervioso central (encéfalo y médula espinal) y el sistema nervioso periférico que comprende los nervios sensitivos y motores de todo el cuerpo.
- Sistema endocrino. Está formado por un conjunto de glándulas que producen hormonas. Las hormonas son mensajeros químicos liberados por células, que alcanzan el torrente sanguíneo para regular a distancia diferentes funciones corporales, entre ellas la velocidad de crecimiento, la actividad de los tejidos, el metabolismo, el desarrollo y funcionamiento de los órganos sexuales. Las principales glándulas endocrinas son: hipófisis, tiroides, glándulas suprarrenales, páncreas, ovario y testículos. Algunas hormonas son producidas por células secretoras que se encuentran en órganos que no son glándulas endocrinas, por ejemplo el riñón que produce eritropoyetina.[173]
- Sistema circulatorio, también llamado sistema cardiovascular o aparato circulatorio. Está formado por el corazón, los vasos sanguíneos (venas, arterias y capilares) y los vasos linfáticos. Las dos arterias principales son la arteria aorta que se subdivide en numerosas ramas y lleva sangre oxigenada o todo el organismo, y la arteria pulmonar que lleva sangre desoxigenada hasta el pulmón.
- Aparato locomotor: conjunto de los sistemas esquelético y muscular. Estos sistemas coordinados por el sistema nervioso permiten el movimiento.
- Sistema muscular. Está formado por el conjunto de músculos voluntarios. Tiene por función lograr el movimiento del cuerpo. El conjunto de todos los músculos esqueléticos corresponde al 40% del peso de un adulto medio.[174]
- Sistema óseo. Está formado por los huesos, articulaciones y ligamentos asociados que en conjunto forman el esqueleto humano. Tiene las funciones de apoyo estructural, protección y asistencia en el movimiento. Además juega un papel importante en el mantenimiento de los niveles de calcio y fósforo en sangre y en la producción de las células que forman la sangre (hematopoyesis). El conjunto de los huesos representa por término medio el 18% del peso total de un adulto.[174] El esqueleto de un adulto está formado por 206 huesos, 8 en el cráneo, 3 en cada oído, 14 en la cara, el hueso hioides situado en el cuello, 26 en la columna vertebral, 25 en el tórax (24 costillas y esternón), 4 en la cintura escapular (2 escápula y 2 clavículas), 30 en cada miembro superior, 2 en la cintura pélvica ( 2 coxales resultado cada uno de la fusión de ilion, isquion y pubis) y 30 en cada miembro inferior.[174]
- Aparato digestivo: Está formado por la boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso y glándulas anexas que incluyen el hígado y el páncreas. Transforma mecánica y químicamente los alimentos y los convierte en moléculas asimilables mediante las enzimas, para poder absorberlas a través de la pared del intestino.
- Aparato excretor o sistema urinario. Su función es la eliminación de sustancias tóxicas y desechos del cuerpo mediante la orina. Está formado por los riñones, uréteres, vejiga urinaria y uretra.
- Aparato reproductor masculino. Está formado por los testículos, próstata, conducto deferente, uretra y pene.
- Aparato reproductor femenino. Formado por ovarios, trompa de Falopio, útero, vagina y vulva.
- Aparato respiratorio o sistema respiratorio. Está formado por la nariz, faringe, laringe, tráquea, bronquios y pulmones. Su función es el transporte del aire atmosférico hasta los alveolos pulmonares donde se produce el intercambio de gases entre el aire y la sangre. La sangre capta el oxígeno y de desprende del dióxido de carbono. La rama de la medicina que estudia las enfermedades de los pulmones es la neumología, mientras que la otorrinolaringología se ocupa de las enfermedades de nariz, faringe, laringe y tráquea. [174]Esqueleto. Vista anteriorEsqueleto. Vista posterior
Especiación
En biología se denomina especiación al proceso mediante el cual una población de una determinada especie da lugar a otra u otras especies. El proceso de especiación, a lo largo de 3.800 millones de años, ha dado origen a una enorme diversidad de organismos, millones de especies de todos los reinos, que han poblado y pueblan la Tierra casi desde el momento en que se formaron los primeros mares.
A pesar de que el aislamiento geográfico juega un papel importante en la mayoría de los casos de especiación no es el único factor.
El término se aplica a un proceso de división de clados (cladogénesis) más que el de evolución de una especie a otra (anagénesis).[175][176] La especiación también puede ocurrir artificialmente en la cría de animales, plantas e incluso en experimentos de laboratorio.[177]
Charles Darwin fue el primero en escribir sobre el papel de la selección natural en la especiación.[178] Existen investigaciones sobre los efectos que tiene la selección sexual sobre la especiación pero todavía no se han podido confirmar definitivamente si esta es una de las causas de la especiación o no.[179]Filogenia
Se llama filogenia al estudio de la historia evolutiva y las relaciones genealógicas de las estirpes. Las comparaciones de secuencias de ADN, ARN y de proteínas, facilitadas por el desarrollo técnico de la biología molecular y de la genómica, junto con el estudio comparativo de fósiles u otros restos paleontológicos, generan la información precisa para el análisis filogenético. El esfuerzo de los biólogos por abordar científicamente la comprensión y la clasificación de la diversidad de la vida ha dado lugar al desarrollo de diversas escuelas en competencia, como la fenética, que puede considerarse superada, o la cladística. No se discute que el desarrollo muy reciente de la capacidad de descifrar sobre bases sólidas la filogenia de las especies está catalizando una nueva fase de gran productividad en el desarrollo de la biología.
Diversidad: variedad de organismos vivos
A pesar de la unidad subyacente, la vida exhibe una asombrosa diversidad en morfología, comportamiento y ciclos vitales. Para afrontar esta diversidad, los biólogos intentan clasificar todas las formas de vida. Esta clasificación científica refleja los árboles evolutivos (árboles filogenéticos) de los diferentes organismos. Dichas clasificaciones son competencia de las disciplinas de la sistemática y la taxonomía. La taxonomía sitúa a los organismos en grupos llamados taxones, mientras que la sistemática trata de encontrar sus relaciones.
| Haeckel (1866) Tres reinos | Chatton (1925) Dos reinos | Copeland (1938 y 1956) Cuatro reinos | Whittaker (1969) Cinco reinos | Woese (1977 y 1990) Tres dominios |
|---|---|---|---|---|
| Animalia | Eukaryota | Animalia | Animalia | Eukarya |
| Plantae | Plantae | Plantae | ||
| Protoctista | Fungi | |||
| Protista | Protista | |||
| Prokaryota | Monera | Monera | Archaea | |
| Bacteria |
Sin embargo, actualmente el sistema de Whittaker, el de los cinco reinos se cree ya desfasado. Entre las ideas más modernas, generalmente se acepta el sistema de tres dominios:
- Archaea (originalmente Archaebacteria)
- Bacteria (originalmente Eubacteria)
- Eukaryota (originalmente Eukarya)
Estos ámbitos reflejan si las células poseen núcleo o no, así como las diferencias en el exterior de las células. Hay también una serie de «parásitos intracelulares» que, en términos de actividad metabólica son cada vez «menos vivos», por ello se los estudia por separado de los reinos de los seres vivos, estos serían los:
Hay un reciente descubrimiento de una nueva clase de virus, denominado los Nucleocytoviricota, ha causado que se proponga la existencia de un cuarto dominio debido a sus características particulares, en el que por ahora solo estaría incluido estos organismos, sin embargo esta propuesta se ve desafiada por la transferencia horizontal de genes entre estos virus y sus huéspedes.
Reinos
En el ámbito de la biología, un reino representa cada una de las grandes subdivisiones taxonómicas en las que se clasifican los seres vivos respecto a su parentesco evolutivo. Reino es el segundo nivel de clasificación por debajo de dominio y por encima de filo y, al igual que el resto de grupos taxonómicos, su ortografía y pronunciación es latina. Históricamente, los primeros reinos que se establecieron para clasificar la naturaleza fueron el animal, el vegetal y el mineral, pero con el advenimiento del estudio biológico se popularizó el sistema de los cinco reinos de la vida (Animalia, Plantae, Fungi, Protista y Monera), clasificados más por sus apariencias que por su verdadera relación evolutiva.
Sin embargo, en la actualidad la clasificación de los reinos está siendo redefinida para que represente en mayor medida la filogenia de cada grupo. Por un lado, el reino Protista es una clasificación parafilética, donde algunos de sus filos tienen tantas diferencias entre sí como estos con Animalia, Plantae o Fungi. Por ello, y para facilitar su estudio, cada vez es más común que Protista se encuentre dividido entre los reinos Chromista y Protozoa.
Por otro lado, Monera es un término en desuso que incluía dos grupos bien diferenciados: los actuales dominios Archaea y Bacteria donde, además, Archaea estaría ligeramente más relacionado con Eukarya. Este esquema fue propuesto por Woese en 1977 al notar las grandes diferencias que a nivel de la genética ribosómica presentan arqueas y bacterias, a pesar de que ambos grupos están compuestos por organismos con células procariotas.[180][181]
La clasificación taxonómica de reino no se utiliza para la catalogación de procariotas (Archaea y Bacteria), en donde únicamente se utiliza la agrupación en dominios. Por ello, en la actualidad, el sistema de reinos queda restringido a los organismos eucariotas, esto es, animales, plantas, hongos, protozoos y algas.[182]
Flora
El término flora se refiere al conjunto de plantas, nativas o introducidas, de una región geográfica,[183] de un período geológico determinado,[184] o de un ecosistema determinado. El término proviene del latín en alusión a la diosa romana de las flores, Flora.[185] La flora define a las especies de plantas y su número, mientras que el término vegetación se refiere a su distribución geográfica. Por tanto, la flora, según el clima y otros factores ambientales, determina la vegetación.[cita requerida]
Las ciencias que estudian la flora son la geobotánica, la sinecología, la fitocenosis y la paleobiogeografía.[186]
El término flora también se utiliza para referirse a los tratados o libros que describen las plantas de una región, período geológico o ecosistema.[183]
Vulgarmente, se utiliza el término flora intestinal para referirse al conjunto de microorganismos y bacterias que habitan en el intestino de los animales, pero el término no tiene relación con la flora vegetal y no es científicamente riguroso.[187]Fauna
Funga
La palabra Funga es un término utilizado para referirse al conjunto de especies de hongos presentes en un sitio en particular (p. ej. La Funga de México), y se le considera paralelo a los conceptos de flora y fauna. Fue empleado en primera instancia por Gravesen,[188] para referirse a las especies de hongos asociadas a un nicho ecológico específico. No obstante, el término sería propuesto formalmente por Kuhar, Furci, Drechsler-Santos y Pfister,[189] quiénes delimitarían su actual significado.
Este término es de suma importancia en materia de conservación, ya que otorga un lugar único a los hongos dentro de la diversidad biológica, e independiza a la micología de la botánica y zoología, evitando la inclusión de las especies fúngicas dentro de la flora o fauna.[190]Microbioma
El término microbioma proviene del griego micro ('pequeño') bios ('vida'), usado por primera vez por J. L. Mohr en 1952 para hacer referencia a los microorganismos presentes en un entorno específico.[191] Fue definido originalmente por Whipps et al. en 1988 como «una comunidad microbiana característica que ocupa un hábitat razonablemente bien definido que tiene propiedades fisicoquímicas distintas. El término, por tanto, no sólo se refiere a los microorganismos implicados, sino que también abarca su teatro de actividad».[192]
En 2020, varios expertos en este campo plantearon una definición del microbioma basada en la original, caracterizada por ser compacta y clara. En la propuesta, se complementa la descripción con dos declaraciones explicativas.[193]
La primera declaración describe el carácter dinámico del microbioma:
- El microbioma se define como una comunidad microbiana característica que ocupa un hábitat bien caracterizado, con distintas propiedades fisicoquímicas. Éste no solo se refiere a los microorganismos involucrados sino que también engloba su teatro de actividad, lo que resulta en la formación de nichos ecológicos específicos. El microbioma, que forma un microecosistema dinámico e interactivo propenso a cambiar, está integrado en macroecosistemas, en los cuales se incluyen los huéspedes eucariotas. En estos, es crucial para su funcionamiento y salud.[193]
La segunda declaración explicativa distingue los términos microbiota y microbioma:
- La microbiota consiste en el ensamblaje de microorganismos que pertenecen a diferentes reinos (procariotas –por ejemplo, bacterias y arqueas–, eucariotas –por ejemplo, protozoos, hongos y algas–); mientras que su teatro de actividad incluye estructuras microbianas, metabolitos, elementos genéticos móviles (como transposones, plásmidos y virus) y ADN reliquia incrustado en las condiciones ambientales del hábitat.[193]
Continuidad: el antepasado común de la vida
Se dice que un grupo de organismos tiene un antepasado común si tiene un ancestro común. Todos los organismos existentes en la Tierra descienden de un ancestro común o, en su caso, de un fondo genético ancestral. Este último ancestro común universal, esto es, el ancestro común más reciente de todos los organismos que existen ahora. Se estima que apareció hace alrededor de 4250 millones de años (véase origen de la vida).[195][196]
La noción de que «toda vida proviene de un huevo» (del latín Omne vivum ex ovo) es un concepto fundacional de la biología moderna, y viene a decir que siempre ha existido una continuidad de la vida desde su origen inicial hasta la actualidad. En el siglo XIX se pensaba que las formas de vida podían aparecer de forma espontánea bajo ciertas condiciones (véase abiogénesis). Los biólogos consideran que la universalidad del código genético es una prueba definitiva a favor de la teoría del descendiente común universal (DCU) de todas las bacterias, archaea y eucariotas.
Homeostasis: adaptación al cambio
La homeostasis es la propiedad de un sistema abierto que regula su medio interno para mantener unas condiciones estables, mediante múltiples ajustes de equilibrio dinámico controlados por mecanismos de regulación interrelacionados. Todos los organismos vivos, sean unicelulares o pluricelulares tienen su propia homeostasis. Por ejemplo, la homeostasis se manifiesta celularmente cuando se mantiene una acidez interna estable (pH); a nivel de organismo, cuando los animales de sangre caliente mantienen una temperatura corporal interna constante; y a nivel de ecosistema, al consumir dióxido de carbono las plantas regulan la concentración de esta molécula en la atmósfera. Los tejidos y los órganos también pueden mantener su propia homeostasis.
Irritabilidad
La irritabilidad es la capacidad de un organismo o de una parte del mismo para identificar un cambio negativo en el medio ambiente y poder reaccionar. Tiene un efecto patológico o fisiológico.
Pero principalmente la irritabilidad es la capacidad homeostática que tienen los seres vivos de responder ante estímulos que lesionan su bienestar o estado. Esta característica les permite sobrevivir y, eventualmente, adaptarse a los cambios que se producen en el ambiente.
Existen dos tipos de estímulos o señales: externos e internos, si es que provienen desde el exterior o el ambiente donde se desarrolla un organismo, o internos, si se producen dentro del mismo organismo.
Ante un estímulo determinado, un organismo responde de una forma particular, que depende tanto del estímulo como de la experiencia del ser vivo.Tropismos
El tropismo (del griego τροπή tropḗ 'giro, vuelta, fuga, punto de retorno') es un fenómeno biológico que se produce cuando una planta crece o cambia de dirección mediante un estímulo medioambiental; también es un fenómeno natural que indica el crecimiento o cambio direccional de un organismo, normalmente una planta, como respuesta a un estímulo medioambiental. Los tropismos se diferencian de las nastias en que estas no son respuestas direccionales.
Si el órgano se mueve en la misma dirección que el estímulo se denomina tropismo positivo (+),[197] pero si lo hace inclinado (crecimiento con dirección horizontal o en ángulo), alejándose del estímulo, es un tropismo negativo (-).[198]
Ambas son respuestas realizadas para acercarse o alejarse del estímulo recibido.Interacciones: grupos y entornos
Todos los seres vivos interaccionan con otros organismos y con su entorno. Una de las razones por las que los sistemas biológicos pueden ser difíciles de estudiar es que hay demasiadas interacciones posibles. La respuesta de una bacteria microscópica a la concentración de azúcar en su medio (en su entorno) es tan compleja como la de un león buscando comida en la sabana africana. El comportamiento de una especie en particular puede ser cooperativo o agresivo; parasitario o simbiótico. Los estudios se vuelven mucho más complejos cuando dos o más especies diferentes interaccionan en un mismo ecosistema; el estudio de estas interacciones es competencia de la ecología.
Competencia
La competencia es una interacción biológica entre seres vivos en la cual la aptitud o adecuación biológica de uno es reducida a consecuencia de la presencia del otro. Existe una limitación de la cantidad de por lo menos un recurso usado por ambos organismos o especies; tal recurso puede ser alimento, agua, territorio, parejas, etc.[199]
La competencia tanto dentro de una especie como entre especies diferentes es un tema importante en ecología, especialmente de ecología de comunidades. La competencia es uno de varios factores bióticos y abióticos que afectan la estructura de las comunidades ecológicas. La competencia entre miembros de la misma especie se llama competencia intraespecífica y la que tiene lugar entre miembros de diferentes especies es competencia interespecífica. La competencia no siempre es un fenómeno simple y directo y puede ocurrir en formas indirectas.
Según el principio de exclusión competitiva las especies menos aptas para competir deben adaptarse o, de lo contrario, se extinguen. De acuerdo a la teoría de la evolución la competencia dentro de una especie y entre especies desempeña un papel fundamental en la selección natural.Simbiosis
La simbiosis puede clasificarse:
- Atendiendo a la relación espacial entre los organismos participantes: ectosimbiosis y endosimbiosis. En la ectosimbiosis, el simbionte vive sobre el cuerpo, en el exterior del organismo anfitrión, incluido en el interior de la superficie del recorrido digestivo o el conducto de las glándulas exocrinas. En la endosimbiosis, el simbionte vive o bien en el interior de las células del anfitrión, o bien en el espacio entre estas.[200]
- Desde una perspectiva de los costos y los beneficios que obtienen cada uno de los participantes, las relaciones simbióticas en la naturaleza pueden clasificarse como de mutualismo, comensalismo y parasitismo. En el mutualismo ambas especies se benefician; en el comensalismo la relación es beneficiosa para una de ellas e indiferente para la otra; y en el parasitismo la relación es positiva para una, aunque perjudicial para la otra.[201]
- Según sean estas facultativas u obligatorias, o también distinguiendo si son permanentes o temporales.[202]
- De modo similar, se puede distinguir entre simbiosis de transmisión vertical, en la que existe una transferencia directa de la infección desde los organismos anfitriones a su progenie,[203] y simbiosis de transmisión horizontal, en la que el simbionte es adquirido del medio ambiente en cada generación.[204]
Cadena trófica
Niveles tróficos
Los niveles tróficos se pueden caracterizar de esta manera la:
- Productores primarios. Son los autótrofos, aquellos organismos que producen materia orgánica partiendo de materia inorgánica. Son las plantas, las algas y una parte de las bacterias. Pueden hacerlo por medio de la fotosíntesis o de la quimiosíntesis. Son los primeros en la cadena trófica, los que reciben la energía desde fuera, los que la incorporan desde una fuente exterior y la ponen al alcance de la vida. Lo mismo ocurre con la materia, que incorporan como sustancias inorgánicas convirtiéndolas en sustancias orgánicas.[208]
- Consumidores. Son los heterótrofos, aquellos organismos que fabrican su materia orgánica partiendo de la materia orgánica que obtienen de otros seres vivos; fabrican sus componentes orgánicos propios a partir de los ajenos. Los consumidores pueden a su vez proporcionar materia orgánica a otros, cuando son consumidos o cuando son aprovechados. Los consumidores son también productores (fabrican su propia materia orgánica), pero no son productores primarios, sino productores de otros órdenes, de otros turnos.
- Consumidores primarios. Son aquellos que se alimentan directamente de los productores primarios. El concepto incluye tanto a los fitófagos o herbívoros que comen plantas o algas, como los parásitos, mutualistas y comensales que obtienen su alimento de ellas de otras maneras. Son los segundos en la cadena trófica, los que reciben la energía de los primeros (los productores).
- Consumidores secundarios. Son los organismos que se alimentan de los consumidores primarios, comiéndolos o de alguna otra manera. Se llama específicamente zoófagos o carnívoros a los que lo hacen consumiéndolos.
- Consumidores terciarios. Son los organismos que se alimentan de consumidores secundarios, es decir, de carnívoros.
- Descomponedores: También llamados desintegradores son aquellos seres vivos que obtienen la materia y la energía de los restos de otros seres vivos. Distinguimos a descomponedores, o saprófitos, que son los organismos heterótrofos que absorben nutrientes por ósmosis (osmotrofia), como lo hacen las bacterias y los hongos, de los saprófagos o detritívoros, que son los animales y protozoos que se nutren de residuos por ingestión (fagotrofia), que en el caso de los protozoos es por fagocitosis.
- La importancia de los descomponedores y detritívoros radica en que son los responsables del reciclado de los nutrientes. Este proceso permite que la materia que ha ido pasando de unos organismos a otros pueda ser utilizada de nuevo por los productores, los que arrancan la cadena trófica. El nitrógeno orgánico, que en la materia viva se presenta combinado con hidrógeno, se devuelve a la forma de nitrato, que es la que necesitan en general los autótrofos. Por esta clase de procesos se cierra el ciclo de materia en el ecosistema, lo que permite que el mismo átomo pueda ser reutilizado un número ilimitado de veces. Nada permite, sin embargo, por limitaciones termodinámicas, que la energía que ya ha circulado a través de la cadena trófica pueda volver a ser utilizada.
Biodiversidad
La biodiversidad o diversidad biológica es, según el Convenio Internacional sobre la Diversidad Biológica, el término por el que se hace referencia a la amplia variedad de seres vivos sobre la Tierra y lo que sucede con los patrones naturales que la conforman, resultado de miles de millones de años de evolución según procesos naturales y también de la influencia creciente de las actividades del ser humano. La biodiversidad comprende igualmente la variedad de ecosistemas y las diferencias genéticas dentro de cada especie (diversidad genética) que permiten la combinación de múltiples formas de vida, y cuyas mutuas interacciones con el resto del entorno fundamentan el sustento de la vida sobre el mundo.
El término «biodiversidad» es un calco del inglés «biodiversity». Este término, a su vez, es la contracción de la expresión «biological diversity» que se utilizó por primera vez en octubre de 1986 como título de una conferencia sobre el tema, el National Forum on BioDiversity, convocada por Walter G. Rosen, a quien se le atribuye la idea de la palabra.[209]
La Cumbre de la Tierra, celebrada por la Organización de las Naciones Unidas en Río de Janeiro en 1992, reconoció la necesidad mundial de conciliar la preservación futura de la biodiversidad con el progreso humano según criterios de sostenibilidad o sustentabilidad promulgados en el Convenio internacional sobre la Diversidad Biológica que fue aprobado en Nairobi el 22 de mayo de 1994, fecha posteriormente declarada por la Asamblea General de la ONU como Día Internacional de la Biodiversidad. Con esta misma intención, el año 2010 fue declarado Año Internacional de la Diversidad Biológica por la 61.ª sesión de la Asamblea General de las Naciones Unidas en 2006, coincidiendo con la fecha del Objetivo Biodiversidad 2010.[210]
En el año 2007, la Asamblea de la Organización de las Naciones Unidas declaró el 22 de mayo como Día Internacional de la Diversidad Biológica.[211]Alcance y disciplinas de la biología
La biología se ha convertido en una iniciativa investigadora tan vasta que generalmente no se estudia como una única disciplina, sino como un conjunto de subdisciplinas que sin embargo comparten los mismos fundamentos y principios biológicos básicos. Entre las más importantes se encuentran la biología molecular, bioquímica, microbiologia, genética, citología, histología, anatomía, fisiología, morfología, zoología, botánica, micología, taxonomía, paleobiología, biopsicología, etología, neurobiología, ecología, biología evolutiva, biología reproductiva, biología del desarrollo, biomedicina, biotecnología, bioingeniería, bioinformática, biofísica, criobiología, radiobiología, bioética, sociobiología, geobiología, astrobiología, etc, las cuales se pueden clasificar en cuatro amplios grupos.
- El primero consta de disciplinas que estudian las estructuras básicas de los sistemas vivos como células, genes, etc.;
- El segundo grupo considera la operación de estas estructuras a nivel de tejidos, órganos y cuerpos;
- Una tercera agrupación tiene en cuenta los organismos y sus historias evolutivas;
- El último conjunto de disciplinas está enfocado a las interacciones entre organismos.
Sin embargo, es importante señalar que estos límites, agrupaciones y descripciones son una descripción simplificada de la investigación biológica. En realidad los límites entre disciplinas son muy inseguros y, frecuentemente, muchas disciplinas se prestan técnicas las unas a las otras. Por ejemplo, la biología de la evolución se apoya en gran medida de técnicas de la biología molecular para determinar las secuencias de ADN que ayudan a comprender la variación genética de una población; y la fisiología toma préstamos abundantes de la biología celular para describir la función de sistemas orgánicos.
La biología es asimismo una de las principales ciencias del karst objeto de la espeleología, ocupándose de los organismos que viven en cavidades subterráneas.[212]
Las clasificaciones de los seres vivos son muy numerosas. Se proponen desde la tradicional división en dos reinos establecida por Carlos Linneo en el siglo XVII, entre animales y plantas, hasta las actuales propuestas de sistemas cladísticos con tres dominios que comprenden más de 20 reinos.
Estructura de la vida
La biología molecular es el estudio de la biología a nivel molecular. El campo se solapa con otras áreas de la biología, en particular con la genética y la bioquímica. La biología molecular trata principalmente de comprender las interacciones entre varios sistemas de una célula, incluyendo la interrelación de la síntesis de proteínas de ADN y ARN y del aprendizaje de cómo se regulan estas interacciones.
La biología celular estudia las propiedades fisiológicas de las células, así como sus comportamientos, interacciones y entorno; esto se hace tanto a nivel microscópico como molecular. La biología celular investiga los organismos unicelulares como bacterias y células especializadas de organismos pluricelulares como los humanos.
La comprensión de la composición de las células y de cómo funcionan éstas es fundamental para todas las ciencias biológicas. La apreciación de las semejanzas y diferencias entre tipos de células es particularmente importante para los campos de la biología molecular y celular. Estas semejanzas y diferencias fundamentales permiten unificar los principios aprendidos del estudio de un tipo de célula, que se puede extrapolar y generalizar a otros tipos de células.
La genética es la ciencia de los genes, la herencia y la variación de los organismos. En la investigación moderna, la genética proporciona importantes herramientas de investigación de la función de un gen particular, esto es, el análisis de interacciones genéticas. Dentro de los organismos, generalmente la información genética se encuentra en los cromosomas, y está representada en la estructura química de moléculas de ADN particulares.
Los genes codifican la información necesaria para sintetizar proteínas, que a su vez, juegan un gran papel influyendo (aunque, en muchos casos, no lo determinan completamente) el fenotipo final del organismo.
La biología del desarrollo estudia el proceso por el que los organismos crecen y se desarrollan. Con origen en la embriología, la biología del desarrollo actual estudia el control genético del crecimiento celular, la diferenciación celular y la morfogénesis, que es el proceso por el que se llega a la formación de los tejidos, de los órganos y de la anatomía.
Los organismos modelo de la biología del desarrollo incluyen el gusano redondo Caenorhabditis elegans, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, el pez cebra Brachydanio rerio, el ratón Mus musculus y la hierba Arabidopsis thaliana.
Fisiología de los organismos
La fisiología estudia los procesos mecánicos, físicos y bioquímicos de los organismos vivos, e intenta comprender cómo funcionan todas las estructuras como una unidad. El funcionamiento de las estructuras es un problema capital en biología.[213]
Tradicionalmente se han dividido los estudios fisiológicos en fisiología vegetal y animal; aunque los principios de la fisiología son universales, no importa qué organismo particular se está estudiando. Por ejemplo, lo que se aprende de la fisiología de una célula de levadura puede aplicarse también a células humanas.
El campo de la fisiología animal extiende las herramientas y los métodos de la fisiología humana a las especies animales no humanas. La fisiología vegetal también toma prestadas técnicas de los dos campos.
La anatomía es una parte importante de la fisiología y considera cómo funcionan e interaccionan los sistemas orgánicos de los animales como el sistema nervioso, el sistema inmunológico, el sistema endocrino, el sistema respiratorio y el sistema circulatorio. El estudio de estos sistemas se comparte con disciplinas orientadas a la medicina, como la neurología, la inmunología y otras semejantes. La anatomía comparada estudia los cambios morfofisiológicos que han ido experimentando las especies a lo largo de su historia evolutiva, valiéndose para ello de las homologías existentes en las especies actuales y el estudio de restos fósiles.
Por otra parte, más allá del nivel de organización organísmico, la ecofisiología estudia los procesos fisiológicos que tienen lugar en las interacciones entre organismos, a nivel de comunidades y ecosistemas, así como de las interrelaciones entre los sistemas vivos y los inertes (como por ejemplo el estudio de los ciclos biogeoquímicos o los intercambios biosfera-atmósfera).
Diversidad y evolución de los organismos
La biología de la evolución trata el origen y la descendencia de las especies, así como su cambio a lo largo del tiempo, esto es, su evolución. Es un campo global porque incluye científicos de diversas disciplinas tradicionalmente orientadas a la taxonomía. Por ejemplo, generalmente incluye científicos que tienen una formación especializada en organismos particulares, como la teriología, la ornitología o la herpetología, aunque usan estos organismos como sistemas para responder preguntas generales de la evolución. Esto también incluye a los paleontólogos que a partir de los fósiles responden preguntas acerca del modo y el tiempo de la evolución, así como teóricos de áreas tales como la genética de poblaciones y la teoría de la evolución. En los años 1990 la biología del desarrollo hizo una reentrada en la biología de la evolución desde su exclusión inicial de la síntesis moderna a través del estudio de la biología evolutiva del desarrollo. Algunos campos relacionados que a menudo se han considerado parte de la biología de la evolución son la filogenia, la sistemática y la taxonomía.
Las dos disciplinas tradicionales orientadas a la taxonomía más importantes son la botánica y la zoología. La botánica es el estudio científico de las plantas. La botánica cubre un amplio rango de disciplinas científicas que estudian el crecimiento, la reproducción, el metabolismo, el desarrollo, las enfermedades y la evolución de la vida de la planta.
La zoología es la disciplina que trata el estudio de los animales, incluyendo la fisiología, la anatomía y la embriología. La genética común y los mecanismos de desarrollo de los animales y las plantas se estudia en la biología molecular, la genética molecular y la biología del desarrollo. La ecología de los animales está cubierta con la ecología del comportamiento y otros campos.
Clasificación de la vida
El sistema de clasificación dominante se llama taxonomía de Linneo, e incluye rangos y nomenclatura binomial. El modo en que los organismos reciben su nombre está gobernado por acuerdos internacionales, como el Código Internacional de Nomenclatura Botánica (CINB), el Código Internacional de Nomenclatura Zoológica (CINZ) y el Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana (CINB). En 1997 se publicó un cuarto borrador del biocódigo (BioCode) en un intento de estandarizar la nomenclatura en las tres áreas, pero no parece haber sido adoptado formalmente. El Código Internacional de Clasificación y Nomenclatura de Virus (CICNV) permanece fuera del BioCode.