1.1: Temas y Conceptos de Biología
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La biología es la ciencia que estudia la vida. ¿Qué es exactamente la vida? Esto puede sonar como una pregunta tonta con una respuesta obvia, pero no es fácil definir la vida. Por ejemplo, una rama de la biología llamada virología estudia virus, que exhiben algunas de las características de las entidades vivientes pero carecen de otras. Resulta que aunque los virus pueden atacar a los organismos vivos, causar enfermedades, e incluso reproducirse, no cumplen con los criterios que utilizan los biólogos para definir la vida.
Desde sus inicios, la biología ha luchado con cuatro preguntas: ¿Cuáles son las propiedades compartidas que hacen que algo “viva”? ¿Cómo funcionan esos diversos seres vivos? Ante la notable diversidad de la vida, ¿cómo organizamos los diferentes tipos de organismos para que podamos entenderlos mejor? Y, finalmente, lo que los biólogos buscan entender en última instancia, ¿cómo surgió esta diversidad y cómo continúa? A medida que cada día se descubren nuevos organismos, los biólogos continúan buscando respuestas a estas y otras preguntas.
Propiedades de la vida
Todos los grupos de organismos vivos comparten varias características o funciones clave: orden, sensibilidad o respuesta a estímulos, reproducción, adaptación, crecimiento y desarrollo, regulación, homeostasis y procesamiento energético. Cuando se ven juntas, estas ocho características sirven para definir la vida.
Orden
Los organismos son estructuras altamente organizadas que constan de una o más células. Incluso los organismos unicelulares muy simples son notablemente complejos. Dentro de cada célula, los átomos forman moléculas. Estos a su vez conforman componentes celulares u orgánulos. Los organismos multicelulares, que pueden consistir en millones de células individuales, tienen una ventaja sobre los organismos unicelulares en el sentido de que sus células pueden especializarse para realizar funciones específicas, e incluso sacrificarse en ciertas situaciones por el bien del organismo en su conjunto. Más adelante se discutirá cómo estas células especializadas se unen para formar órganos como el corazón, pulmón o piel en organismos como el sapo que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).
Sensibilidad o Respuesta a los Estímulos
Los organismos responden a diversos estímulos. Por ejemplo, las plantas pueden doblarse hacia una fuente de luz o responder al tacto (Figura\(\PageIndex{2}\)). Incluso las bacterias diminutas pueden moverse hacia o alejarse de los productos químicos (un proceso llamado quimiotaxis) o la luz (fototaxis). El movimiento hacia un estímulo se considera una respuesta positiva, mientras que el alejamiento de un estímulo se considera una respuesta negativa.
CONCEPT EN ACCIÓN
Mira este video para ver cómo responde la planta sensible a un estímulo táctil.
Reproducción
Los organismos unicelulares se reproducen duplicando primero su ADN, que es el material genético, y luego dividiéndolo por igual a medida que la célula se prepara para dividirse para formar dos nuevas células. Muchos organismos multicelulares (los compuestos por más de una célula) producen células reproductivas especializadas que formarán nuevos individuos. Cuando ocurre la reproducción, el ADN que contiene genes se pasa a la descendencia de un organismo. Estos genes son la razón por la que la descendencia pertenecerá a la misma especie y tendrá características similares al progenitor, como el color del pelaje y el tipo de sangre.
Adaptación
Todos los organismos vivos exhiben un “ajuste” a su entorno. Los biólogos se refieren a este ajuste como adaptación y es consecuencia de la evolución por selección natural, que opera en todos los linajes de organismos reproductores. Ejemplos de adaptaciones son diversos y únicos, desde Archaea resistentes al calor que viven en aguas termales hirviendo hasta la longitud de la lengua de una polilla alimentadora de néctar que coincide con el tamaño de la flor de la que se alimenta. Todas las adaptaciones potencian el potencial reproductivo del individuo que las exhibe, incluyendo su capacidad de sobrevivir para reproducirse. Las adaptaciones no son constantes. A medida que cambia un ambiente, la selección natural hace que las características de los individuos en una población rastreen esos cambios.
Crecimiento y Desarrollo
Los organismos crecen y se desarrollan de acuerdo con instrucciones específicas codificadas por sus genes. Estos genes proporcionan instrucciones que dirigirán el crecimiento y desarrollo celular, asegurando que la cría de una especie (Figura\(\PageIndex{3}\)) crecerá para exhibir muchas de las mismas características que sus padres.
Regulación
Incluso los organismos más pequeños son complejos y requieren múltiples mecanismos reguladores para coordinar las funciones internas, como el transporte de nutrientes, la respuesta a estímulos y hacer frente al estrés ambiental. Por ejemplo, los sistemas de órganos como el sistema digestivo o circulatorio realizan funciones específicas como transportar oxígeno por todo el cuerpo, eliminar desechos, entregar nutrientes a cada célula y enfriar el cuerpo.
Homeostasis
Para funcionar correctamente, las células requieren condiciones apropiadas como temperatura, pH y concentraciones adecuadas de diversos químicos. Estas condiciones pueden, sin embargo, cambiar de un momento a otro. Los organismos son capaces de mantener condiciones internas dentro de un rango estrecho casi constantemente, a pesar de los cambios ambientales, a través de un proceso llamado homeostasis o “estado estacionario” —la capacidad de un organismo para mantener condiciones internas constantes. Por ejemplo, muchos organismos regulan su temperatura corporal en un proceso conocido como termorregulación. Los organismos que viven en climas fríos, como el oso polar (Figura\(\PageIndex{4}\)), tienen estructuras corporales que les ayudan a soportar bajas temperaturas y conservar el calor corporal. En climas cálidos, los organismos tienen métodos (como la transpiración en humanos o el jadeo en los perros) que les ayudan a arrojar el exceso de calor corporal.
Procesamiento de Energía
Todos los organismos (como el cóndor de California que se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\)) utilizan una fuente de energía para sus actividades metabólicas. Algunos organismos capturan la energía del Sol y la convierten en energía química en los alimentos; otros utilizan la energía química de las moléculas que toman.
Niveles de organización de los seres vivos
Los seres vivos están altamente organizados y estructurados, siguiendo una jerarquía en una escala de pequeña a grande. El átomo es la unidad más pequeña y fundamental de la materia. Consiste en un núcleo rodeado de electrones. Los átomos forman moléculas. Una molécula es una estructura química que consiste en al menos dos átomos unidos por un enlace químico. Muchas moléculas que son biológicamente importantes son macromoléculas, moléculas grandes que normalmente se forman combinando unidades más pequeñas llamadas monómeros. Un ejemplo de una macromolécula es el ácido desoxirribonucleico (ADN) (Figura\(\PageIndex{6}\)), que contiene las instrucciones para el funcionamiento del organismo que la contiene.
Algunas células contienen agregados de macromoléculas rodeadas de membranas; estas se llaman orgánulos. Los orgánulos son pequeñas estructuras que existen dentro de las células y realizan funciones especializadas. Todos los seres vivos están hechos de células; el yo cellitself es la unidad fundamental más pequeña de estructura y función en los organismos vivos. (Este requisito es la razón por la que los virus no se consideran vivos: no están hechos de células. Para hacer nuevos virus, tienen que invadir y secuestrar una célula viva; sólo entonces podrán obtener los materiales que necesitan para reproducirse). Algunos organismos consisten en una sola célula y otros son multicelulares. Las células se clasifican como procariotas o eucariotas. Los procariotas son organismos unicelulares que carecen de orgánulos rodeados por una membrana y no tienen núcleos rodeados por membranas nucleares; en contraste, las células de los eucariotas sí tienen orgánulos y núcleos unidos a la membrana.
En la mayoría de los organismos multicelulares, las células se combinan para formar tejidos, que son grupos de células similares que realizan la misma función. Los órganos son colecciones de tejidos agrupados en base a una función común. Los órganos están presentes no sólo en los animales sino también en las plantas. Un sistema de órganos es un nivel superior de organización que consiste en órganos funcionalmente relacionados. Por ejemplo, los animales vertebrados tienen muchos sistemas de órganos, como el sistema circulatorio que transporta sangre por todo el cuerpo y hacia y desde los pulmones; incluye órganos como el corazón y los vasos sanguíneos. Los organismos son entidades vivientes individuales. Por ejemplo, cada árbol de un bosque es un organismo. Los procariotas unicelulares y los eucariotas unicelulares también se consideran organismos y generalmente se denominan microorganismos.
CONEXIÓN ARTE
¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
- Los tejidos existen dentro de órganos que existen dentro de los sistemas de órganos.
- Las comunidades existen dentro de las poblaciones que existen dentro de los ecosistemas.
- Los organelos existen dentro de las células que existen dentro de los tejidos.
- Las comunidades existen dentro de los ecosistemas que existen en la biosfera.
- Contestar
-
B
Todos los individuos de una especie que viven dentro de un área específica se denominan colectivamente población. Por ejemplo, un bosque puede incluir muchos pinos blancos. Todos estos pinos representan la población de pinos blancos en este bosque. Diferentes poblaciones pueden vivir en la misma área específica. Por ejemplo, el bosque con los pinos incluye poblaciones de plantas con flores y también insectos y poblaciones microbianas. Una comunidad es el conjunto de poblaciones que habitan un área en particular. Por ejemplo, todos los árboles, flores, insectos y otras poblaciones de un bosque forman la comunidad del bosque. El bosque en sí es un ecosistema. Un ecosistema consiste en todos los seres vivos de un área en particular junto con las partes abióticas, o no vivas, de ese ambiente como el nitrógeno en el suelo o el agua de lluvia. Al más alto nivel de organización (Figura\(\PageIndex{7}\)), la biosfera es la colección de todos los ecosistemas, y representa las zonas de vida en la Tierra. Incluye tierra, agua y porciones de la atmósfera.
La diversidad de la vida
La ciencia de la biología es de alcance muy amplio porque hay una tremenda diversidad de vida en la Tierra. El origen de esta diversidad es la evolución, proceso de cambio gradual durante el cual surgen nuevas especies de especies mayores. Los biólogos evolutivos estudian la evolución de los seres vivos en todo, desde el mundo microscópico hasta los ecosistemas.
En el siglo XVIII, un científico llamado Carl Linnaeus propuso por primera vez organizar las especies conocidas de organismos en una taxonomía jerárquica. En este sistema, las especies que son más similares entre sí se agrupan dentro de una agrupación conocida como género. Además, géneros similares (el plural de género) se juntan dentro de una familia. Esta agrupación continúa hasta que todos los organismos se recolectan juntos en grupos al más alto nivel. El sistema taxonómico actual tiene ahora ocho niveles en su jerarquía, de menor a mayor, son: especie, género, familia, orden, clase, filo, reino, dominio. Así, las especies se agrupan dentro de géneros, los géneros se agrupan dentro de familias, las familias se agrupan dentro de órdenes, y así sucesivamente (Figura\(\PageIndex{8}\)).
El nivel más alto, dominio, es una adición relativamente nueva al sistema desde la década de 1990. Los científicos reconocen ahora tres dominios de la vida, el Eukarya, el Archaea y la Bacteria. El dominio Eukarya contiene organismos que tienen células con núcleos. Incluye los reinos de hongos, plantas, animales, y varios reinos de protistas. Los Archaea, son organismos unicelulares sin núcleos e incluyen muchos extremófilos que viven en ambientes hostiles como las aguas termales. Las bacterias son otro grupo bastante diferente de organismos unicelulares sin núcleos (Figura\(\PageIndex{9}\)). Tanto las Archaea como las Bacterias son procariotas, un nombre informal para las células sin núcleos. El reconocimiento en la década de 1990 de que ciertas “bacterias”, ahora conocidas como Archaea, eran tan diferentes genética y bioquímicamente de otras células bacterianas como de eucariotas, motivó la recomendación de dividir la vida en tres dominios. Este cambio dramático en nuestro conocimiento del árbol de la vida demuestra que las clasificaciones no son permanentes y cambiarán cuando se disponga de nueva información.
Además del sistema taxonómico jerárquico, Linneo fue el primero en nombrar organismos usando dos nombres únicos, ahora llamado sistema de nomenclatura binomial. Antes de Linneo, el uso de nombres comunes para referirse a organismos causó confusión debido a que había diferencias regionales en estos nombres comunes. Los nombres binomiales consisten en el nombre del género (que está en mayúscula) y el nombre de la especie (todos en minúscula). Ambos nombres se ponen en cursiva cuando se imprimen. A cada especie se le da un binomio único que es reconocido en todo el mundo, para que un científico en cualquier lugar pueda saber a qué organismo se le está refiriendo. Por ejemplo, el jay azul norteamericano es conocido únicamente como Cyanocitta cristata. Nuestra especie es el Homo sapiens.
EVOLUCIÓN EN ACCIÓN: Carl Woese y el árbol filogenético
Las relaciones evolutivas de diversas formas de vida en la Tierra se pueden resumir en un árbol filogenético. Un árbol filogenético es un diagrama que muestra las relaciones evolutivas entre especies biológicas basadas en similitudes y diferencias en los rasgos genéticos o físicos o ambos. Un árbol filogenético está compuesto por puntos de ramificación, o nodos, y ramas. Los nodos internos representan ancestros y son puntos en evolución cuando, con base en evidencia científica, se cree que un antepasado divergió para formar dos nuevas especies. La longitud de cada rama puede considerarse como estimaciones del tiempo relativo.
En el pasado, los biólogos agrupaban organismos vivos en cinco reinos: animales, plantas, hongos, protistas y bacterias. El trabajo pionero del microbiólogo estadounidense Carl Woese a principios de la década de 1970 ha demostrado, sin embargo, que la vida en la Tierra ha evolucionado a lo largo de tres linajes, ahora llamados dominios: bacterias, Archaea y Eukarya. Woese propuso el dominio como un nuevo nivel taxonómico y Archaea como nuevo dominio, para reflejar el nuevo árbol filogenético (Figura\(\PageIndex{10}\)). Muchos organismos pertenecientes al dominio Archaea viven en condiciones extremas y se llaman extremófilos. Para construir su árbol, Woese utilizó relaciones genéticas en lugar de similitudes basadas en la morfología (forma). Se utilizaron diversos genes en estudios filogenéticos. El árbol de Woese se construyó a partir de la secuenciación comparativa de los genes que se distribuyen universalmente, se encuentran en alguna forma ligeramente alterada en cada organismo, conservados (es decir, que estos genes han permanecido solo ligeramente modificados a lo largo de la evolución) y de una longitud apropiada.
Ramas de Estudio Biológico
El alcance de la biología es amplio y por lo tanto contiene muchas ramas y subdisciplinas. Los biólogos pueden perseguir una de esas subdisciplinas y trabajar en un campo más enfocado. Por ejemplo, la biología molecular estudia los procesos biológicos a nivel molecular, incluyendo interacciones entre moléculas como ADN, ARN y proteínas, así como la forma en que están regulados. La microbiología es el estudio de la estructura y función de los microorganismos. Es una rama bastante amplia en sí misma, y dependiendo del tema de estudio, también hay fisiólogos microbianos, ecologistas, y genetistas, entre otros.
Otro campo de estudio biológico, la neurobiología, estudia la biología del sistema nervioso, y aunque se considera una rama de la biología, también se le reconoce como un campo de estudio interdisciplinario conocido como neurociencia. Por su naturaleza interdisciplinaria, esta subdisciplina estudia diferentes funciones del sistema nervioso utilizando enfoques moleculares, celulares, de desarrollo, médicos y computacionales.
La paleontología, otra rama de la biología, utiliza fósiles para estudiar la historia de la vida (Figura\(\PageIndex{11}\)). La zoología y la botánica son el estudio de animales y plantas, respectivamente. Los biólogos también pueden especializarse como biotecnólogos, ecologistas o fisiólogos, por nombrar solo algunas áreas. Los biotecnólogos aplican los conocimientos de biología para crear productos útiles. Los ecologistas estudian las interacciones de los organismos en sus ambientes. Los fisiólogos estudian el funcionamiento de células, tejidos y órganos. Esta es solo una pequeña muestra de los muchos campos que los biólogos pueden perseguir. Desde nuestros propios cuerpos hasta el mundo en el que vivimos, los descubrimientos en biología pueden afectarnos de maneras muy directas e importantes. Dependemos de estos descubrimientos para nuestra salud, nuestras fuentes de alimentos y los beneficios que brinda nuestro ecosistema. Debido a esto, el conocimiento de la biología puede beneficiarnos en la toma de decisiones en nuestro día a día.
El desarrollo de la tecnología en el siglo XX que continúa hoy en día, particularmente la tecnología para describir y manipular el material genético, el ADN, ha transformado la biología. Esta transformación permitirá a los biólogos seguir entendiendo la historia de la vida con mayor detalle, cómo funciona el cuerpo humano, nuestros orígenes humanos y cómo los humanos pueden sobrevivir como especie en este planeta a pesar de las tensiones causadas por nuestro creciente número. Los biólogos continúan descifrando enormes misterios sobre la vida sugiriendo que solo hemos comenzado a entender la vida en el planeta, su historia y nuestra relación con él. Por esta y otras razones, los conocimientos de biología obtenidos a través de este libro de texto y otros medios impresos y electrónicos deberían ser un beneficio en cualquier campo al que ingreses.
Carreras en acción: Científico forense
La ciencia forense es la aplicación de la ciencia para responder preguntas relacionadas con la ley. Tanto biólogos como químicos y bioquímicos pueden ser científicos forenses. Los científicos forenses proporcionan evidencia científica para su uso en los tribunales, y su trabajo consiste en examinar material traza asociado a delitos. El interés por la ciencia forense ha aumentado en los últimos años, posiblemente debido a programas de televisión populares que cuentan con científicos forenses en el trabajo. Además, el desarrollo de técnicas moleculares y el establecimiento de bases de datos de ADN han actualizado los tipos de trabajo que pueden realizar los científicos forenses. Sus actividades laborales están relacionadas principalmente con delitos contra personas como asesinato, violación y agresión. Su trabajo consiste en analizar muestras como cabello, sangre y otros fluidos corporales y también procesar ADN (Figura\(\PageIndex{12}\)) que se encuentra en muchos entornos y materiales diferentes. Los científicos forenses también analizan otras pruebas biológicas dejadas en las escenas del crimen, como partes de insectos o granos de polen. Los estudiantes que quieran seguir carreras en ciencias forenses probablemente tendrán que tomar cursos de química y biología, así como algunos cursos intensivos de matemáticas.
Resumen
La biología es la ciencia de la vida. Todos los organismos vivos comparten varias propiedades clave como orden, sensibilidad o respuesta a estímulos, reproducción, adaptación, crecimiento y desarrollo, regulación, homeostasis y procesamiento energético. Los seres vivos están altamente organizados siguiendo una jerarquía que incluye átomos, moléculas, orgánulos, células, tejidos, órganos y sistemas de órganos. Los organismos, a su vez, se agrupan como poblaciones, comunidades, ecosistemas y la biosfera. La evolución es la fuente de la tremenda diversidad biológica en la Tierra hoy en día. Un diagrama llamado árbol filogenético puede ser utilizado para mostrar las relaciones evolutivas entre organismos. La biología es muy amplia e incluye muchas ramas y subdisciplinas. Los ejemplos incluyen biología molecular, microbiología, neurobiología, zoología y botánica, entre otros.
Glosario
- átomo
- una unidad básica de materia que no puede ser descompuesta por reacciones químicas normales
- biología
- el estudio de los organismos vivos y sus interacciones entre ellos y sus entornos
- biosfera
- una colección de todos los ecosistemas de la Tierra
- celular
- la unidad fundamental más pequeña de estructura y función en los seres vivos
- comunidad
- un conjunto de poblaciones que habitan un área particular
- ecosistema
- todos los seres vivos en un área en particular junto con las partes abióticas y no vivas de ese entorno
- eucariotas
- un organismo con células que tienen núcleos y orgánulos unidos a membrana
- evolución
- el proceso de cambio gradual en una población que también puede conducir a nuevas especies derivadas de especies mayores
- homeostasis
- la capacidad de un organismo para mantener condiciones internas constantes
- macromolécula
- una molécula grande típicamente formada por la unión de moléculas más pequeñas
- molécula
- una estructura química que consiste en al menos dos átomos unidos por un enlace químico
- órgano
- una estructura formada por tejidos que operan juntos para realizar una función común
- sistema de órganos
- el nivel superior de organización que consiste en órganos funcionalmente relacionados
- orgánulos
- un compartimento o saco unido a membrana dentro de una celda
- organismo
- una entidad viviente individual
- árbol filogenético
- un diagrama que muestra las relaciones evolutivas entre especies biológicas basadas en similitudes y diferencias en los rasgos genéticos o físicos o ambos
- población
- todos los individuos dentro de una especie que viven dentro de un área específica
- procariotas
- un organismo unicelular que carece de un núcleo o cualquier otro orgánulo unido a la membrana
- tejido
- un grupo de células similares que llevan a cabo la misma función