Los Bagos
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LA BIOLOGÍA COMO CIENCIA
La biología como ciencia...........................................................................................11
Origen de la Vida.....................................................................................................14
Teorías sobre el Origen de la Vida........................................................................15
Teorías de la Evolución............................................................................................20
Pruebas de la Evolución........................................................................................27
Evolución Humana...................................................................................................34
Niveles de Organización de la Materia....................................................................41
Resumen...................................................................................................................56
Biomoléculas............................................................................................................57
Agua......................................................................................................................58
Minerales...............................................................................................................59
Vitaminas...............................................................................................................62
Lípidos ..................................................................................................................65
Glúcidos o Carbohidratos .....................................................................................66
Ácidos nucleicos ...................................................................................................67
Proteínas................................................................................................................72
Resumen......................................................................................................................77
Virus........................................................................................................................78
Características.......................................................................................................79
Importancia biológica de los virus........................................................................84
Resumen......................................................................................................................104
Bibliografía………………………………………………………………………….105
LA CÉLULA
Métodos y técnicas de estudio de la célula..............................................................108
Microscopio compuesto de campo claro..................................................................108
Manejo del microscopio........................................................................................112
Cuidados del microscopio.....................................................................................114
Otros tipos de microscopios ópticos.........................................................................114
Microscopio electrónico...........................................................................................115
La Célula.....................................................................................................................120
Teoría Celular..........................................................................................................121
Características generales de las células.................................................................122
Modelos Celulares.................................................................................................124
Célula Procariota...................................................................................124
Célula Eucariota......................................................................................128 Resumen............................................................................................................130
Estructura celular eucariota………………………………………………………..131
Membrana celular: composición química y estructura................................131
Intercambio de sustancias entre la célula y el medio que la rodea....................138
Exocitosis...................................................................................................140
Transporte a través de la membrana......................................................... 141
Transporte pasivo........................................................................................141
Difusión...............................................................................................141
Ósmosis..................................................................................................144
Transporte mediado...............................................................................145
Transporte activo.........................................................................................146
Potencial de membrana............................................................................148
Resumen.............................................................................................................149
Citoplasma........................................................................................................150
Matriz citoplasmática......................................................................................150
Inclusiones......................................................................................................151
Orgánulos no membranosos...........................................................................152
Citoesqueleto...............................................................................................152
Cilios y Flagelos..........................................................................................155
Cuerpos basales y centríolos.......................................................................157
Ribosomas .................................................................................................158
Orgánulos membranosos ...............................................................................161
Retículo endoplasmático ................................................................................161
Complejo de Golgi.........................................................................................163
Lisosomas.......................................................................................................165
Mitocondrias...................................................................................................167
Peroxisomas....................................................................................................169
Resumen............................................................................................................170
Núcleo.............................................................................................................171
Envoltura nuclear............................................................................................172
Matriz nuclear.............................................................................................173
Nucléolo......................................................................................................174
Cromatina....................................................................................................175
Procesos de transmisión y expresión de la información genética...................180
Replicación..................................................................................................180
Transcripción...............................................................................................183
Traducción de la información genética o síntesis de proteínas...................184
Metabolismo...............................................................................................................191
Resumen.....................................................................................................................194
Ciclo de vida de la célula..........................................................................................195
Interfase...................................................................................................................195
División celular........................................................................................................197
Mitosis.....................................................................................................................198
Meiosis.....................................................................................................................200
Resumen.....................................................................................................................208
Bibliografía …………………………………………………………………………210 13
15
Endocitosis.........................................................................................139
LA BIOLOGIA COMO CIENCIA
La ciencia biología no existió hasta finales del siglo XIX. Al nacer el término todas las ciencias que existían hasta ese momento dedicadas al estudio de los seres vivientes, como la Anatomía, Zoología y Botánica, quedaron reunidas bajo este denominador común. En 1815, Jean Baptiste Lamarck escribió:
“… es a estos seres singulares y admirables a los que se ha dado el nombre de seres vivos; la vida que les es propia, así como también todas las facultades que de ella se derivan los distinguen esencialmente del resto de los seres naturales. Constituyen el objeto único exclusivo de una ciencia particular, que todavía no ha sido fundada y que por no tener, no tiene nombre, yo la denomino Biología.”
El estudio de los seres vivos como conocimiento organizado, se piensa que comenzó en la antigua Grecia. Los griegos y los romanos describían las numerosas variedades de plantas y animales conocidas en aquella época. Estudios similares fueron desarrollados posteriormente en la Edad Media. En el renacimiento, al aumentar el interés por la historia natural, se emprendieron análisis más exactos de la estructura, funciones y costumbres de las plantas y animales.
El invento del microscopio óptico a principios del siglo XVII permitió estudiar las estructuras finas de varios tejidos, así como el descubrimiento de bacterias, protozoos y espermatozoides. Esta invención abrió ante los científicos un mundo desconocido y las ciencias biológicas ampliaron considerablemente su campo de investigación; la creación de técnicas investigativas más desarrolladas y del microscopio electrónico dio acceso al mundo subcelular, hoy es posible tomar fotografías de los ácidos nucleicos, algo imposible de imaginar por Gregorio Mendel, el padre de la Genética.
En el siglo XIX la biología extendió sus conocimientos y se modificó considerablemente, tendencia que continuó rápidamente en el siglo XX. Gracias a los adelantos científico – técnicos, la Biología alcanzó perspectivas más amplias y conocimientos más detallados, que en la actualidad se han visto favorecidos por los nuevos descubrimientos en la física y la química. El aporte de estas ciencias a la biología ha sido muy importante, puesto que todos los fenómenos biológicos que se conocen hoy en día tienen un basamento físico-químico, pero por supuesto que no se reducen a ellos.
Una ciencia para ser catalogada como tal debe poseer un objeto de estudio definido, un sistema de conocimiento (conceptos, categorías y leyes) y métodos científicos propios para la investigación del mismo. La biología alcanzó carácter de ciencia al deslindar su objeto de estudio, el cual abarca los múltiples procesos que ocurren en el ser vivo, así como su estructura, función, reproducción, herencia, evolución, crecimiento y la relación que establecen con el medio.
La palabra Biología procede del griego, bio significa vida y logos quiere decir ciencia, conocimiento, por tanto la Biología es la ciencia de la vida. Ella trabaja con un sistema de conocimientos biológicos que incluye conceptos como: célula, organismo, población, comunidad, biosfera; categorías como: nutrición, homeostasia, metabolismo; y leyes o principios como las Leyes de la Herencia de Mendel, todos los cuales son exclusivos de ella.
Las ciencias biológicas en sus inicios fueron fundamentalmente descriptivas, en algunos países era calificado de delito la experimentación, el poco desarrollo de la ciencia permitió que una sola persona pudiera abarcar diferentes disciplinas a la vez. Aristóteles, por ejemplo, desarrolló la Física, la Filosofía, la Historia y la Zoología.
Los conocimientos adquiridos gracias al uso de los avances científicos acrecentaron de tal manera el volumen de información biológica que una sola persona no puede abarcarlo a profundidad en su conjunto, por lo que ha aumentado el número de disciplinas biológicas en un lapso de tiempo corto. Ramas como Biología Molecular y Celular, Inmunología, Genética Molecular, Ingeniería Genética y otras, son hijas de los adelantos científicos del siglo XX.
Los métodos de investigación en que se basan los biólogos para estudiar la materia viva se pueden dividir en dos grandes grupos:
⦁ Métodos empíricos: Son aquellos que se basan fundamentalmente en la observación y la experimentación.
⦁ Métodos teóricos: Son aquellos que se basan principalmente en el análisis y la deducción de los fenómenos.
Las ciencias biológicas se relacionan entre si y entre todas contribuyen a la comprensión de ese fenómeno maravilloso que es la vida. Podemos afirmar que la Biología está constituida por los conocimientos que aportan las diferentes ciencias biológicas como se puede apreciar en el siguiente diagrama:
Relación de la Biología con otras ciencias
La Biología se relaciona con muchas ciencias que no son biológicas como la Física, Química, Matemática, Geografía, etc.
Los movimientos de la sangre en los animales y la savia en las plantas, así como la visión, la fotosíntesis, el transporte de sustancia entre las células y el medio, la contracción muscular, entre otros, obedecen a leyes físicas, por lo que para explicar estos fenómenos característicos de los seres vivos necesitamos apoyarnos en ellas.
Todos los procesos metabólicos se basan en reacciones de síntesis y degradación, es decir, reacciones químicas. Además en los organismos vivos existen una serie de compuestos moleculares que son de gran importancia para el funcionamiento y desarrollo de los mismos, por lo tanto, el estudio de la Química es imprescindible.
El estudio de las relaciones de los sistemas vivientes con su entorno físico, es esencial para comprender los procesos de adaptación de los organismos a su ambiente. La Ecología, la Biogeografía y la Evolución necesitan apoyarse en la Geografía para desarrollar sus campos de estudio.
Existen algunas disciplinas biológicas como la Bioestadística, la Genética Poblacional, la Ecología y la Evolución, que para su investigación se requiere el concurso de la matemática. Esta ciencia también ha permitido a los científicos construir modelos de los procesos biológicos, que facilitan la comprensión de los mismos.
Las ciencias técnicas, cuyo aporte es primordial para el desarrollo de tecnologías cada vez más avanzadas, también contribuyen al progreso de las ciencias biológicas. La aplicación de la computación constituye actualmente un factor indispensable para toda ciencia. Como es evidente el desarrollo de la Biología está relacionado con el de otras ciencias.
Aporte de la Biología a las Ciencias Médicas
Si se examina el plan de estudio de la carrera de Medicina, encontraremos en los primeros años, asignaturas cuyos nombres se corresponden con los de ciencias biológicas, es la Morfofisiología donde se integran antíguas disciplinas particulares como son: Anatomía, Fisiología, Biología Celular y Molecular, Embriología, Genética e Histología. Además de las mencionadas, a lo largo de la carrera, también adquieren conocimientos sobre Morofofiopatología.
Las ciencias biológicas constituyen la base sobre la cual se apoya el médico. El conocimiento del organismo humano sano, sus funciones vitales y su relación con el medio son esenciales para la comprensión de asignaturas como la Medicina Interna que se estudian en años posteriores.
Los descubrimientos que se realizan en las ciencias biológicas son de importancia vital para la Medicina, por ejemplo: la Biología Molecular y la Ingeniería Genética han abierto un nuevo campo a la Medicina, el relacionado con el cáncer. Gracias al descubrimiento de los oncogenes se ha logrado explicar por primera vez el origen genético del cáncer y su formación.
Las ciencias de la vida que antaño tenían unas repercusiones sociales, económicas y culturales discretas, han empezado a imprimir una profunda huella en nuestro comportamiento, en nuestra vida en sociedad, en nuestras concepciones de sanidad pública y de la agricultura. Las biotecnologías se presentan como una de las grandes promesas del tercer milenio, la Biología se ha transformado en una ciencia precisa, informatizada e inquietante, y actualmente está considerada como la ciencia del milenio.
Origen de la Vida
Antes de comenzar a explicar el origen y la evolución de la vida, es importante definir el término vida. Se denomina vida al fenómeno relacionado con determinadas moléculas orgánicas y cuya propiedad fundamental es la autoperpetuación, por lo cual un organismo vivo es capaz de sostenerse por si mismo mediante un intercambio dinámico con el ambiente.
Según lo explicado en el capítulo anterior, la biología es la ciencia que se dedica al estudio de la vida. Ahora cabría preguntarse cómo se originó la vida en la Tierra y cuales fueron las transformaciones que sufrió esta para formar toda la gran variedad de seres vivos que existen en la actualidad.
Teorías sobre el Origen de la Vida
Se define como Origen de la Vida al conjunto de fenómenos que han determinado la aparición de seres vivientes en la Tierra. El Origen de la Vida es uno de los más antiguos e incomprensibles problemas de la Biología, y uno de los más excitantes retos de la Biología moderna es comprender cómo comenzó la vida en la Tierra, cómo los primeros habitantes surgieron de la materia inanimada, si se originaron súbitamente o sólo después de cientos de millones de años en los que las sustancias químicas comenzaron a reaccionar y las reacciones químicas fueron acoplándose y perfeccionándose. En este tiempo se han intentado diversas explicaciones cada una de las cuáles tuvo firmes defensores en una época u otra.
Durante mucho tiempo, la investigación de los orígenes de la vida no fue más que un debate basado en la metafísica y en las creencias religiosas. De hecho, la mayor parte de las religiones enseñan que los seres vivos han sido creados a partir de la nada o de un caos original por una divinidad, una “mano” que crea y pone orden. En la actualidad existen varias teorías (religiosas y científicas) que tratan de explicar el posible origen de la vida en el planeta, las cuales se relacionan a continuación:
⦁ Teoría Creacionista: Plantea que la materia continúa idéntica, invariable desde el momento de su creación. Creación, en la Biblia, es la acción de Dios que conlleva la existencia del universo y de todo lo que contiene. La Biblia plantea que Dios creó los animales que el agua produce y que viven en ella, toda clase de animales domésticos y salvajes, a los que se arrastran por el suelo y al hombre con el poder sobre todos los animales. Según el creacionismo los actuales continentes existieron siempre, tenían el mismo relieve, idéntico clima, la misma flora y fauna, a excepción de las variaciones provocadas por el hombre. Es válido destacar que esta teoría, a diferencia del resto, es una teoría religiosa y no científica, ya que no cuenta con una base experimental que apoye sus enunciados y principios.
⦁ Teoría de la preformación: Teoría científica que plantea que el futuro organismo con todos sus órganos aparece preformado, es decir, preexiste bajo la forma de un embrión desarrollado, totalmente formado con todos sus órganos internos, en la célula sexual, ya sea en el óvulo o en el espermatozoide. Se llegó a afirmar que cada embrión contiene en sus órganos sexuales embriones en miniatura de la generación siguiente, en cuyos órganos sexuales existen a su vez gérmenes aún más pequeños de la tercera generación. Algunos afirmaban que en los ovarios de Eva se hallaban metidos unos dentro de otros, los gérmenes de todas las generaciones futuras de la humanidad. Se pensaba que el animal con todos sus órganos ya existía en el embrión y que solo tenía que desplegarse como una flor. Se mantenía la idea de que cada embrión debía contener los embriones de todos sus futuros descendientes uno dentro de otro.
⦁ Teoría de la Generación Espontánea: Teoría científica que se difundió durante la Edad Media y se mantuvo sin oposición hasta el siglo XVII. Está basada en la existencia de un “principio activo” existente dentro de ciertas porciones en la materia inanimada, este principio podría producir un ser vivo de la materia bruta, si las condiciones son favorables, la nueva vida aparecía de forma natural, las moscas y los gusanos provenían de la carne putrefacta y el estiércol, los piojos del sudor, las anguilas y los peces del lino marino, las luciérnagas de troncos podridos y las ranas y ratones de la tierra húmeda e incluso hubo una receta para producir ratones en 21 días, partiendo de una camisa sucia puesta en contacto con el germen del trigo. La formación de organismos vivientes de la materia inanimada fue aceptada por la mayoría como un hecho obvio de la naturaleza.
El médico italiano Francesco Redi, en 1668, demostró que los gusanos en la carne son las larvas de las moscas y que si la carne es protegida de modo que la mosca adulta no pueda depositar sus huevos en ella, los gusanos no aparecerán, sus experiencias favorecieron la idea de que la vida puede originarse solamente de vida preexistente, esta idea se llamó biogénesis. Pero en 1676, el holandés pulidor de lentes Anton Von Leuwenhoeck, constructor del microscopio, descubrió microorganismos y la generación espontánea recibió un nuevo apoyo, pues esta era una posible forma de explicar la aparición de estas nuevas criaturas que Leuwenhoeck pudo encontrar por doquier.
En los últimos años del siglo XVIII el biólogo italiano Lazzaro Spallanzani demostró si jugos de vegetales eran encerrados en recipientes sellados después de haber sido adecuadamente esterilizados, el caldo permanecía libre de vida. Él no logró convencer a sus contemporáneos en parte porque otros repitieron el experimento con menos cuidado y obtuvieron diferentes resultados, además algunas personas argumentaron que las técnicas de Spallanzani no solamente mataban a los microorganismos ya presentes sino también enrarecía el aire haciéndolo impropio para la generación y crecimiento de nuevos microorganismos. Los métodos experimentales no eran aún lo suficientemente buenos como para persuadir a aquellas personas que querían creer en la generación espontánea.
En 1862 el gran científico francés Louis Pasteur obtuvo resultados que, finalmente, convencieron a la mayoría de que la generación espontánea era inaceptable. Pasteur ejecutó una serie de detallados experimentos demostrando que los microorganismos provienen solamente de otros microorganismos y que caldos genuinamente estériles permanecían así indefinidamente a menos que sean contaminados por criaturas vivientes. La experiencia de Pasteur constituyó una victoria para la biogénesis.
Como resultado de estos experimentos el aforismo “ toda vida proviene de vida” quedó aceptado de manera general. La idea de la generación espontánea fue abandonada y si no se tienen en cuenta las teorías creacionistas (que todavía cuentan con un número de partidarios en el mundo entero, sobre todo en Estados Unidos), el problema que por primera vez se planteaba en términos científicos era el siguiente: ¿cómo surgió la vida en la Tierra? A pesar de su importancia este problema no atrajo la atención de los científicos durante otros 60 años.
⦁ Teoría sobre el origen extraterrestre: En el siglo XIX surgió la idea de que la vida tenía un origen extraterrestre, en el que los meteoritos que chocan contra nuestro planeta habrían depositado gérmenes procedentes de otro. En 1906, el químico Svante Arrhenius propuso la hipótesis de que los gérmenes habían sido transportados por la radiación luminosa. Estas teorías fueron refutadas algunos años más tarde por Paul Becquerel, quien señaló que ningún ser viviente podría atravesar el espacio y resistir las rigurosas condiciones que reinan en el vacío (temperatura extremadamente baja, radiación cósmica intensa, por ejemplo). Además, estas soluciones a medias no hacen sino desplazar el problema, pues, aún admitiendo el origen extraterrestre de la vida, quedaría por averiguar como ha aparecido en otros planetas.
Nada se opone a que se haya formado vida en planetas distintos de la Tierra. La investigación de la vida y las condiciones de existencia en esos otros planetas es el objeto de una ciencia nueva llamada exobiología. En otros tiempos se creyó ver en Marte manifestaciones de vida en forma de una red de canales supuestamente construidos por los “marcianos”; ahora se sabe que esos canales no son sino una ilusión óptica provocada por el insuficiente poder de resolución de lentes astronómicos.
La vida sólo puede surgir en determinadas condiciones físico – químicas favorables, en particular a lo relativo a la temperatura y a la presencia de agua en forma líquida. En el planeta Marte no se ha observado ningún indicio de vida. Las estructuras microscópicas descubiertas en 1996 en un meteorito de Marte caído en la Antártida se han interpretado como restos fósiles de bacterias, pero la hipótesis todavía no se ha podido demostrar. Actualmente los astrónomos buscan otros planetas fuera de nuestro sistema solar cuyas condiciones físico – químicas sean compatibles con la existencia de seres vivos. Se han identificado algunos, pero todavía no se ha podido determinar si albergan alguna forma de vida.
⦁ Teoría de Oparin: Esta constituye la teoría científica más aceptada en la actualidad por su fundamento científico y por la veracidad de los experimentos que la sustentan. En 1924 el biólogo ruso Alexander Ivánovich Oparin publicó una corta monografía titulada “El origen de la vida”. Aunque nunca fue traducida del ruso y no hizo impacto en los científicos de la época, exponía una secuencia razonable de eventos y condiciones que condujeran al comienzo de la vida en la Tierra. Fue solamente en 1936, cuando Oparin publicó sus ideas en un libro titulado “El origen de la vida sobre la Tierra” (traducido a otras lenguas), que el problema de la aparición de la vida en la tierra se estudió experimentalmente.
Durante mucho tiempo, Oparin tomó como punto de partida la Teoría cosmogónica del origen ígneo de los planetas, que prevalecía entonces, según la cual una masa de atmósfera solar fue arrancada por otra estrella que en su movimiento pasó muy cerca del Sol y seguidamente aceleró su curso, la interacción entre las fuerzas gravitacionales de ambas estrellas provocó una onda de marea sobre la superficie de las estrellas. Una porción de esta marea con forma de huso, producida en nuestro Sol, fue arrancada del mismo. Esta masa de gas incandescente se enfrió y en su superficie apareció una capa sólida, la corteza, sobre la cual se desenvolvió toda la historia ulterior de la vida orgánica del planeta.
Teoría de Oparin
Oparin explica su teoría en una serie de eventos que tienen lugar a partir de la formación de la atmósfera primitiva de la Tierra la cual carecía de oxígeno, contenía principalmente hidrógeno, nitrógeno, amoníaco (NH3), metano (CH4), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y agua en forma de vapor.
Al disminuir la temperatura, el agua de la atmósfera se precipitó en lluvias torrenciales que fueron ocupando las irregularidades de la superficie de la tierra y constituyeron los mares, ríos y arroyos, arrastrando consigo diversos gases atmosféricos tales como el metano y el amoníaco.
A continuación se relacionan las diferentes etapas de la Teoría de Oparin:
1. Síntesis abiogénica de los primeros compuestos orgánicos:
Esta etapa consiste en la formación de los primeros compuestos orgánicos sencillos, tales como monosacáridos, glicerina, ácidos grasos, aminoácidos y bases nitrogenadas, a partir de las moléculas inorgánicas de la atmósfera primitiva, en presencia de fuentes de energía como las radiaciones ultravioletas, las descargas eléctricas y los volcanes.
energía
Metano + metano + agua monosacáridos, glicerina y ácidos grasos
energía
Metano + metano + agua + amoníaco aminoácidos y bases nitrogenadas
Este proceso debió ocurrir tanto en la atmósfera primitiva como en los mares primitivos, siempre que existieran condiciones requeridas y permitió la formación de la mayoría de los tipos de moléculas que forman parte de los organismos que existen en la actualidad.
2. Polimerización:
Los polímeros son macromoléculas formadas por muchas moléculas simples. Así por ejemplo, un carbohidrato está formado por la unión de azúcares simples. Esta etapa consiste en la síntesis de polímeros, a partir de moléculas orgánicas sencillas similares o idénticas, bajo la acción de diversas fuentes de energía. Los polímeros, por tanto, son compuestos sintetizados abiogénicamente.
Entre los polímeros formados se encuentran las proteínas, polisacáridos, nucleótidos, ácidos nucleicos y lípidos.
energía
Aminoácidos (n) proteínas
energía
Monosacáridos (n) polisacáridos
energía
Bases nitrogenadas + azúcares + fosfatos nucleótidos
energía
Nucleótidos (n) ácidos nucleicos
energía
Ácidos grasos + glicerina lípidos
3. Coacervación:
Es la etapa de formación de coacervados, los cuales son agregados microscópicos de polímeros dispersos, separados del medio circundante por una estructura parecida a las membranas celulares y que no posee vida. Estos coacervados se consideran sistemas prebiológicos, pues en ellos comienza a manifestarse el intercambio con el medio ambiente, la absorción de sustancias y la incorporación de las mismas a sus estructuras, lo que permitió su crecimiento y fragmentación. Además, en su interior tuvieron lugar las reacciones de síntesis y degradación que antes ocurrían en los mares abiertos.
No obstante, el coacervado no se llega a considerar una estructura celular, puesto que las reacciones que ocurren en su interior, así como el intercambio de energía y materiales con el medio ambiente, se realizan de forma desorganizada y no se autorregulan, por lo que a pesar de la existencia de una forma primitiva de metabolismo en los coacervados, estos no pueden considerarse formas vivientes.
Oparin vio a las gotas de coacervados como posibles precursores de las células que proporcionaron una organización física en cuyo interior las reacciones metabólicas podrían tener lugar. Él pensaba que las primeras gotas de coacervados contenían solamente moléculas relativamente simples. Debido a que las gotas en las cuales las reacciones químicas estaban mejor controladas podrían sobrevivir más tiempo que aquellas con reacciones más pobremente reguladas, el ajuste de las reacciones metabólicas por la acción de enzima pudiera haber evolucionado.
4. Origen y evolución de la célula primitiva:
Se supone que tanto los coacervados como las primeras células se debieron haber formado en las costas de los mares primitivas, debido a la acción condensante y absorbente de los minerales arcillosos. En algunos coacervados, es posible que los procesos de síntesis y degradación se fueran haciendo más complejos y estables, las proteínas pudieron haber propiciado la existencia de reacciones aceleradas enzimáticamente y la formación de membranas estructurales.
La posible incorporación de ácidos nucleicos al coacervado permitió la manifestación de variaciones, las cuales si eran favorables se seleccionaban, dando lugar a las primeras células, que se consideraban que fueran heterótrofas ya que obtenían la materia orgánica de los mares primitivos.
Al pasar el tiempo, comenzaron a escasear dichas fuentes alimenticias produciéndose variaciones en aquellas células con potencialidades de sufrir el cambio evolutivo hacia una nueva forma de nutrición, lo que permitió la formación de las células autótrofas, que constituyeron la fuente básica de alimentación de las heterótrofas.
Oparin publico su hipótesis en 1922, pero en ese momento los bioquímicos estaban tan convencidos por la demostración de Pasteur, refutando la generación espontánea, que la comunidad científica ignoró sus ideas por lo que la primera verificación de esta teoría se realizó en la década de los 50 por Stanley Miller, quien por ese entonces era alumno de la Escuela de Graduados de la Universidad de Chicago.
Se demostró experimentalmente la posibilidad de formación de moléculas en la Tierra primitiva simulando la atmósfera de aquella época, por lo que la hipótesis de Oparin fue ampliamente aceptada por los científicos pues era la única teoría factible que había sido propuesta.
Se han propuesto teorías alternativas sobre el origen de la vida, la principal divergencia con esta teoría radica en el orden de los eventos. Oparin ponía en primer lugar el coacervado, después el metabolismo y finalmente los genes, otros científicos sitúan a los genes en primer lugar, en segundo al metabolismo y en tercero la célula y otros abogan por la aparición de las enzimas en primer lugar, la célula en segundo lugar y los genes en tercero. Se han realizado experimentos que demuestran la viabilidad de cualquiera de las tres hipótesis, pero hasta hoy es imposible elegir claramente entre tantas teorías diferentes.
Teorías de la Evolución
La pregunta que es natural hacerse después de estudiar el origen de la vida según la teoría de Oparin es: ¿cómo surgió la enorme variedad de organismos vivos que habitan en nuestro planeta y cómo surgió el hombre? Para responder dichas interrogantes es necesario hacer alusión a las teorías de la evolución que existen hasta la actualidad, definiendo a la Evolución como aquella serie de transformaciones parciales o completas e irreversibles de la composición genética de las poblaciones, en correspondencia con los cambios ambientales específicos.
A lo largo de la historia ha sido siempre obvio, para la mayoría de las personas, que la gran diversidad de vida, la increíble perfección con la que están dotados los organismos vivos para sobrevivir y multiplicarse, y la elevada complejidad de las estructuras y funciones vitales, solo pueden ser obra de la creación divina. No obstante, una y otra vez han existido pensadores aislados que creían que debía haber una alternativa a la creación sobrenatural.
En la antigua Grecia existía la noción de que las especies se transformaban en otras especies. Esta creencia estuvo marginada, hasta que en el siglo XVIII fue retomada por pensadores progresistas como Pierre de Maupertuis, Erasmus Darwin y Jean Baptiste Lamarck. En la primera mitad del siglo XIX, esta idea se hizo habitual en los círculos intelectuales en especial, en el de los temas geológicos, aunque siempre de forma vaga y sin que existiera una visión clara del mecanismo que podía originar estas modificaciones.
Fue Charles Darwin (nieto de Erasmus) quien estableció finalmente la teoría de la evolución a través de la publicación del libro El origen de las especies por medio de la selección natural en 1859, conocido como El origen de las especies. A partir de 1859 fue difícil dudar de que todas las especies vivas, incluyendo al hombre, habían evolucionado de otras.
La Biología Molecular moderna evidencia que el origen de todas las especies puede remontarse a un antecesor común único, que todas las formas de vida conocidas poseen un código genético y otras similitudes de manera que es muy improbable que hubieran podido dar con ello de forma independiente.
A continuación se relacionan los aspectos más importantes acerca de las teorías evolutivas existentes hasta la actualidad (Tabla 1).
Corrientes Autores y años Ideas y acontecimientos
Primeras ideas transformistas Épocas de la Tierra (1779) e Historia natural (1749-1789), Georges Buffon Buffon establece una escala de tiempos geológicos. Desarrolla la idea de la transformación progresiva de los seres vivos.
Lamarckismo Filosofía zoológica (1809) e Historia de los animales invertebrados (1815-1822), Jean-Baptiste de Lamarck Lamarck es autor de una de las primeras teorías de la evolución. Considera que los organismos se transforman gracias al ¨sentimiento interno¨ y a la ¨herencia de los caracteres adquiridos¨ por la influencia directa del medio ambiente.
Darwinismo El origen de las especies por medio de la selección natural (1859), Charles Darwin Darwin explica el fenómeno de la evolución concediéndole importancia las variaciones hereditarias (cambios a nivel de la información genética). Los individuos sufren a continuación la selección natural: los mejores adaptados sobreviven y se reproducen y los otros mueren.
Mutacionismo 1900 Hugo de Vries, Carl Correns y Eirch Tschermack redescubren las leyes de Mendel. De Vries se opone al carácter lento y gradual de la evolución y postula que la modificación de las especies puede ser drástica. Concede importancia vital a las grandes mutaciones como fuerzas evolutivas.
Neodarwinismo 1920-1950: Nace la principal corriente de los conceptos evolucionistas actuales, la Teoría Sintética de la Evolución o Neodarwinismo El desarrollo de la genética (en particular de la genética de poblaciones con J. Haldane, E. Mayr, R. Fisher, S. Wright y T. Dobzhansky), la biogeografía y la paleontología aportan base experimental a la teoría de Darwin. La genética de poblaciones demuestra que la evolución es consecuencia de la modificación de las frecuencias genéticas en el seno de una población. Esta teoría recoge de las teorías anteriores los aspectos positivos y los reúne en un único postulado.
Tabla 1.1: Teorías de la evolución.
Teoría de Lamarck
Jean Bautiste Lamarck, alumno de Bufón, escribió extensamente sobre la evolución. El fue la primera persona en apoyar la idea de la evolución con argumentos lógicos y fue también el primero en exponer públicamente una hipótesis concerniente a los mecanismos de los cambios evolutivos inclusive para el hombre en su obra Philosophie Zoologique (1809).
Lamarck se basó en la existencia de dos factores: el primero, el “sentimiento interno” y el segundo, la “herencia de los caracteres adquiridos”. Según él, debido a un sentimiento interno, innato en todos los organismos, estos tienden a la perfección y al incremento de la complejidad. Esta tendencia llevaba a los organismos a nuevos ambientes y por tanto se creaban nuevas necesidades que requerían nuevas estructuras orgánicas, dado que el ambiente es de fundamental importancia para el organismo y estaba en continuo cambio. Además planteó que los padres modificados por el ambiente originaban descendientes que mostraban las mismas modificaciones.
Por ejemplo, él sugirió que las aves que pasan a vivir en el agua sienten la necesidad de realizar esfuerzos para nadar y no hundirse, desarrollando un plumaje impermeable, dedos con membrana interdigital y patas dirigidas hacia atrás. Así se formaban especies de aves adaptadas a nadar, que heredaban los caracteres adquiridos. Lamarck explicó muchos otros ejemplos de adaptación de forma similar.
Teniendo en cuenta su teoría, él explica el origen del cuello de la jirafa a partir de sus antecesores con cuello corto, que al no alcanzar las hojas de los árboles para alimentarse, una vez escasa la hierba del suelo, sienten la necesidad de estirar el cuello, desarrollándose nuevas especies de jirafas y heredándose los caracteres adquiridos (Figura 1.1).
Figura 1.1: La formación del cuello de la Jirafa fue explicada por la Teoría de Lamarck.
Según Lamarck de esta forma los organismos se transformaban, gracias al “sentimiento interno” y a la “herencia de los caracteres adquiridos” por la influencia directa del ambiente. El factor principal de la teoría de Lamarck, el “sentimiento interno”, escapaba a todo análisis científico y fue rechazado por sus contemporáneos, y su declaración de que los cambios producidos directamente por el ambiente en un individuo, eran heredados por los descendientes, no resistió la experimentación científica. De su teoría los evolucionistas modernos solamente tomaron lo referente a la importancia de la influencia del ambiente en los organismos.
Teoría de Darwin
Como todas las grandes ideas, la teoría de Darwin de la selección natural, presentada en su libro El origen de las especies es notable por su simplicidad. Darwin comenzó por dos hechos familiares: por un lado que los individuos de la mayoría de los organismos no son idénticos, y por otro lado que la descendencia tiende a semejarse a sus padres.
Estos hechos familiares adquirieron un nuevo significado para Darwin cuando él se percató de que considerando los promedios reproductivos de la mayoría de los organismos debía haber una alta mortalidad en la naturaleza, porque aun sin altos porcientos de muerte la mayoría de las formas reproductivas más lentas podrían alcanzar enormes tamaños de población y en realidad no sucede así.
Darwin sugirió (y este es el punto clave de su teoría) que las variaciones entre individuos afectaría significativamente las posibilidades que tendría un individuo dado de sobrevivir y reproducirse, él llamó a este éxito reproductivo diferencial de variaciones individuales selección natural.
Podemos ver que Darwin basó su teoría de la selección natural en dos hechos claves y una deducción. Los hechos: la existencia de la variabilidad y la existencia de similitud entre los padres y la descendencia; y la deducción: que la variación afecta significativamente las probabilidades de supervivencia y reproducción de quien la posee. Muchas de las observaciones de Darwin sobre las variaciones en la naturaleza provinieron de experiencias con plantas y animales domesticados, Darwin mismo era un aficionado a las palomas y crió muchas razas diferentes. Además recopiló una gran cantidad de material biológico durante su viaje alrededor del mundo y estudio materiales fósiles.
Darwin a los 22 años fue nombrado naturalista del navío Beagle, cuyo viaje alrededor del mundo estaba proyectado para completar los mapas oceánicos y estudiar las plantas y los animales de los litorales del Atlántico y del Pacífico Sudamericano. En su paso por las Islas Galápagos, se sintió fascinado por la diversidad de tortugas y pinzones que vivían en esta isla, rechazando la teoría de la creación especial y planteando la teoría de la selección natural que fue publicada 20 años después en su libro El origen de las especies (Figura 1.2).
A B
Figura 1.2: Viaje de Darwin en el navío Beagle (A). Tortuga de las Islas Galápagos (B).
Darwin se percató de que las tasas reproductivas de los organismos son tan altas que podrían causar grandes incrementos en el tamaño de las poblaciones si toda la descendencia sobreviviera. Por tanto, razonó que la mortalidad debía incrementarse a medida que aumenta la densidad de población y, en consecuencia, la competencia por el espacio vital, el alimento, la pareja, el hogar y otras necesidades ambientales se acentúan y además la depredación y las enfermedades prevalecen.
Sobre esta base Darwin argumentó su teoría de la Selección Natural al decir que no puede dudarse, considerando la lucha de cada individuo por su subsistencia, que cualquier mínima variación en la estructura, los hábitos o los instintos que propicie una mejor adaptación del individuo a su ambiente determina su vigor y salud. Cualquier variación favorable podría por tanto, proporcionar una mejor oportunidad de sobrevivir, y aquellos de sus descendientes que heredaran la variación, por muy leve que sea, podrían tener a su vez una mejor oportunidad. Anualmente nacen más que los que sobreviven, la más pequeña ganancia en el balance, en la larga carrera, debe determinar cuál morirá y cuál sobrevivirá.
Para explicar esta teoría se retoma el ejemplo de las aves que pasan a vivir en el agua, las cuales sufren variaciones en relación a las características de sus patas, donde aquellos organismos con variaciones favorables, tienen ventajas sobre el resto (Selección Natural), los cuales sobreviven y con el transcurso del tiempo se originan las especies de aves adaptadas a la vida acuática. Los individuos que no lograron estas modificaciones tienen menores posibilidades y mueren biológicamente.
La teoría de Darwin tiene entre sus limitaciones que los análisis fueron realizados a nivel de individuo y no a nivel poblacional (unidad básica de la evolución) y que además él plantea la selección natural como mortalidad diferencial de individuos, cuando en realidad este término se refiere a la supervivencia y reproducción diferencial de genes y genotipos, lo que indica que si un carácter determinado no es seleccionado, el individuo no muere, sino que se reproduce menos y deja menos descendientes por lo que la frecuencia de dichos caracteres no favorecidos, disminuye dentro de la población, por lo que este fenómeno de selección natural está relacionado con muertes genéticas y no muertes biológicas, debido a que dichos caracteres no seleccionados tienen menores posibilidades de ser trasmitidos a las próximas generaciones.
Otra limitación de esta teoría es que Darwin plantea que los cambios evolutivos se deben a variaciones hereditarias que ocurren en los individuos los cuales son seleccionados a favor o en contra, pero él no pudo explicar las causas de dichas variaciones. No obstante, Darwin tiene el mérito de haber postulado los términos de variación hereditaria y selección natural, que son considerados como las dos fuerzas que determinan la evolución, ya que como dichas variaciones favorables se trasmiten a las siguientes generaciones, entonces estos cambios tienen valor evolutivo.
Teoría de Hugo de Vries
El redescubrimiento de las leyes del naturalista Gregor Mendel (que serán estudiadas en el tema 4) en 1903, sobre la herencia de los caracteres de variación discontinua permitió que la Genética progresara enormemente y se produjeran descubrimientos, como las mutaciones que son cambios que se producen al azar en el material genético y que provocan variaciones en los organismos, que diferencian a estos del resto de los individuos de su especie.
El descubrimiento de las mutaciones confirmó la teoría de Darwin, aunque inicialmente produjeron un efecto contrario como la Teoría de las Mutaciones del botánico holandés Hugo de Vries, quien planteaba que las grandes mutaciones que pueden ocurrir en la información genética, pueden causar grandes alteraciones en los organismos y son responsables de que una especie se convierta en otra, sin desempeñar ningún papel la selección natural. Con el tiempo se demostró que las mutaciones son importantes en la evolución, pero no solamente las grandes sino también las pequeñas, las cuales se acumulan por selección natural y producen el salto evolutivo. Esta teoría tiene como elemento positivo que de Vries pudo explicar que las mutaciones son causantes de variaciones hereditarias en las poblaciones, que fue una de las limitaciones en la teoría de
Darwin.
Tomando los elementos positivos de las teorías de Lamarck, Darwin y de Vries y unificándolos con los avances científicos de la Genética, Ecología, Paleontología, Biogeografía, Antropología y otras ciencias se ha postulado la Teoría Sintética de la Evolución.
Teoría Sintética de la Evolución (Neodarwinismo)
Esta teoría constituye la explicación más completa del proceso evolutivo, consiste en la reelaboración de los aspectos positivos de las teorías precedentes y en la unificación de los nuevos descubrimientos científicos (Genética, Ecología, Paleontología, Biogeografía, Antropología, etc.)
Esta teoría estudia el proceso evolutivo teniendo en cuenta varios factores en mutua interacción y dependencia, algunos de los cuales son postulados de las antiguas teorías como: la importancia e influencia del medio ambiente sobre los organismos (Lamarck), las variaciones hereditarias y la selección natural (Darwin), las mutaciones (de Vries) y otros aspectos.
La Teoría Sintética Moderna de la Evolución considera a la evolución como un proceso complejo en el cual las especies se transforman debido a la selección natural de las combinaciones genéticas que aseguren una mejor adaptación del individuo al medio y por tanto una mayor supervivencia, estas combinaciones genéticas se transmiten hereditariamente de padres a hijos y son debidas a mutaciones que ocurren en el genoma. En ello tiene gran importancia el ambiente y este proceso ocurre al nivel de población.
Esta teoría, además de reelaborar los aportes de las teorías anteriores, incorpora nuevos elementos en la explicación del proceso evolutivo los cuales se relacionan a continuación:
⦁ Con el avance de los conocimientos genéticos se pudieron diferenciar dos tipos de variaciones: las no hereditarias y las hereditarias; estas últimas pueden acumularse gradualmente por selección natural, produciendo los cambios evolutivos.
⦁ Se demostró que el genotipo de cada individuo es un sistema íntegro y regulado de los genes, por lo que no se seleccionan genes aislados, sino el genotipo en su conjunto.
⦁ Se determinó la población como unidad básica de la evolución.
⦁ El estudio de las poblaciones de especies silvestres, comenzó a hacerse desde el punto de vista genético, ecológico y fisiológico, superando el método clásico que era puramente morfológico.
A partir de lo anterior queda explicado el posible origen de la vida en la Tierra, así como la evolución de la misma a través de los años, lo que ha permitido la existencia de una gran variedad de seres vivos en el planeta. Sin embargo a pesar de que existe una gran cantidad de organismos diferentes, entre muchos de ellos existen grandes similitudes en cuanto a sus características, lo que permite deducir que los mismos están relacionados evolutivamente. Para explicar el grado de parentesco evolutivo que existe en los organismos vivos es necesario acudir a las denominadas pruebas de la evolución.
Pruebas de la Evolución
Todas las ciencias biológicas, de un modo u otro, aportan pruebas de la evolución, por consiguiente cualquier investigación biológica a cualquier nivel de organización de la materia, tarde o temprano conduce a conclusiones de carácter evolutivo y con ello aporta pruebas de la evolución.
Las pruebas de la evolución se pueden catalogar en:
⦁ Pruebas indirectas: Son aquellas que se obtienen a partir del estudio de los organismos actuales.
⦁ Pruebas directas: Son aquellas que se obtienen a partir del estudio de fósiles organismos primitivos que no existen en la actualidad.
Pruebas indirectas
Todas las ciencias mediante las cuales se investigan los organismos actuales, o sea, los productos finales de la evolución aportan pruebas indirectas. Estas pruebas permiten demostrar, trabajando con el material actual, que los organismos A y B son el producto de la transformación de un antepasado común X, o sea, que están emparentados, por tanto demuestran el hecho de la evolución pues permiten establecer relaciones entre los organismos desde el punto de vista evolutivo, pero es posible caer en un error al no conocer todos los elementos que intervienen en el proceso, pues la mayoría de los hechos se deducen de observaciones, por lo cual se dice que, con un alto grado de probabilidad A y B están emparentados. A continuación se relacionan las diferentes ciencias que aportan
pruebas indirectas de la evolución:
Anatomía Comparada
Consiste en el estudio comparativo de estructuras anatómicas en diferentes organismos con el fin de determinar sus similitudes y diferencias. Los órganos han sido objeto de estudio por mucho tiempo y han permitido establecer relaciones evolutivas entre los organismos. Desde el punto de vista evolutivo los órganos se pueden clasificar en:
⦁ Órganos funcionales.
⦁ Órganos vestigiales.
⦁ Órganos atávicos.
Los órganos funcionales son los que tienen funcionamiento en un momento dado. Estudios realizados han demostrado que todos los órganos y sistemas de órganos están estructurados según un plan, es decir un ordenamiento fijo de unos órganos respecto a otros que varía de una especie a otra, esta estructura básica se denomina unidad de plan. Por ejemplo, todas las flores se corresponden con la siguiente unidad de plan: cáliz, corola y estructuras sexuales.
Todas las unidades de plan que conocemos en la actualidad son modificaciones derivadas de una unidad de plan primitiva denominada arquetipo. Otro ejemplo que podemos tomar son los miembros anteriores de los mamíferos (Figura 1.3), donde existe un hueso en el brazo, dos en el antebrazo, pequeños huesos en la muñeca, huesos largos en el metacarpo y pequeños huesecillos en los dedos. Este patrón básico se repite en todos los vertebrados independientemente de su modo de vida, en el elefante, el murciélago, la marsopa, el gibón, el manatí, el caballo, el hombre, etc., pero este patrón básico presenta variaciones según el modo de vida de cada especie ya que la pata del caballo está modificada en forma de casco para correr, los miembros anteriores del manatí están modificados en aletas para nadar, en el murciélago se encuentran modificados en alas para volar y en el hombre están modificados de modo que permiten la manipulación de utensilios.
Figura 1.3: Unidad de plan de las extremidades anteriores en los mamíferos.
Los órganos vestigiales son aquellos que siempre aparecen en el organismo en forma rudimentaria pues están en vías de desaparecer o cambiaron de función. Por ejemplo, en el hombre y el orangután el apéndice es un vestigio del largo intestino de nuestros antepasados herbívoros, la cintura pélvica es vestigial en las ballenas, así como los vestigios de las extremidades posteriores en las serpientes. En el hombre además podemos encontrar como órganos vestigiales, el pliegue semilunar en el ojo humano el cual es un vestigio de la membrana nictitante de los reptiles, los músculos para mover las orejas, el canino puntiagudo, el tercer molar, los pelos sobre el cuerpo, los músculos segmentarios del abdomen, el músculo piramidal y las vértebras caudales.
Los órganos atávicos tienen características semejantes a los vestigiales pero sólo se presentan esporádicamente en los organismos, el organismo normalmente no los posee. Caracteres atávicos en el hombre son la politelia (pezones supernumerarios) y el hirsutismo, que aparecían normalmente en los antepasados del hombre y se fueron perdiendo en el curso de la evolución.
Todos estos órganos se comparan entre las diferentes especies y esta comparación permite llegar a la conclusión de que, realmente, unas especies han derivado de otras por evolución, ya que las formas afines de la especie con órgano vestigial o atávico presentan desarrollado dicho órgano, el cual, por evolución, se hizo rudimentario en la especie en cuestión.
Uno de los fines de esta disciplina es comparar estructuras anatómicas equivalentes entre organismos distintos para analizar como se modifican y se diversifican en el curso de la evolución. Solo se pueden comparar estructuras homólogas, es decir, que compartan un mismo origen embrionario y evolutivo (porque provienen de un ancestro común), y mantengan entre ellas las mismas relaciones, sea cual sea el organismo. Por el contrario, las estructuras análogas, que cumplen funciones idénticas pero que tienen distintos orígenes embrionario y evolutivo, no se deben comparar.
Así, es posible encontrar los esqueletos del brazo del hombre y el ala de un ave, pues estas estructuras, aunque cumplen funciones diferentes, son homólogas. En cambio, las alas de aves e insectos, que desempeñan la misma función (el vuelo) pero tienen orígenes embrionarios distintos, son estructuras análogas.
Embriología Comparada
Consiste en la comparación de embriones, larvas y formas juveniles, y se basa en la ley de Von Baer la cual plantea que “las formas más avanzadas en sus estadios embrionarios pasan por formas semejantes a los estadios embrionarios de sus antepasados” (Figura 1.4).
Está comprobado que en el desarrollo ontogénico (desarrollo del individuo) lo primero en formarse son los caracteres más generales y después los más específicos. Para el ser humano, por ejemplo, primero aparecerán las características propias de los mamíferos y más tarde las del ser humano. Un ejemplo de esto se hace evidente en aquellos niños que nacen con el llamado mal azul, debido a que la comunicación entre sus aurículas no se ha cerrado antes de nacer y se mezcla la sangre que proviene de los pulmones con la que llega del cuerpo, en los reptiles la división del corazón en cuatro cavidades no es completa. Otro ejemplo se da en las aves y mamíferos los cuales pasan por una fase embrionaria similar a la de sus antepasados que presentaban hendiduras branquiales las cuales se convierten en branquias en los peces fundamentalmente, mientras que en otros grupos de animales (aves y mamíferos) dichas estructuras dan lugar a otras que no presentan similitudes estructurales y funcionales a las branquias (Figura 1.5).
Figura 1.4: Desarrollo embrionario de erizos de mar, anfibios y del hombre.
Figura 1.5: Embriones de animales vertebrados en una misma semana del desarrollo.
Bioquímica Comparada
Es una ciencia muy moderna y utilizada, sus técnicas son a veces las únicas que pueden emplearse para diferenciar formas relacionadas, compara moléculas orgánicas simples o complejas mediante el estudio de sus modificaciones estructurales en los organismos. Esta ciencia es una de las que brinda pruebas más exactas para demostrar relaciones entre los organismos. Se utiliza para reforzar las relaciones filogenéticas que ya se establecieron por otras ciencias.
En la actualidad los estudios bioquímicos a nivel del ADN y de las proteínas permiten determinar con exactitud si los individuos pertenecen a una misma especie, género o familia, clasificación que se basaba fundamentalmente en el aspecto anatómico.
El albinismo se produce por una mutación que provoca un defecto de la enzima que cataliza la producción del pigmento melanina, y se presenta en una gran cantidad de especies de animales vertebrados como por ejemplo en los peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos. Es por ello que, de la única forma en que se explica el albinismo en dichos animales es considerando que tienen una base genética heredada de un antepasado común.
Por ejemplo, todos los vertebrados, poseen la molécula hemoglobina, la cual puede sufrir modificaciones a partir de una estructura básica, a la que podemos llamar arquetipo pues lo que se conoce de la anatomía comparada se puede extrapolar a la bioquímica comparada. La mioglobina es la molécula arquetipo de la cual derivaron por evolución las moléculas de hemoglobina, la mioglobina se encuentra en todos los músculos. La hemoglobina ha sido una de las moléculas más estudiadas, pero también han sido objeto de estudio las enzimas, los pigmentos del pelo de los mamíferos, etc.
Existen otras ciencias que aportan más pruebas indirectas de la evolución como son la Genética, la Fisiología, la Etología, la Citogenética, la Biogeografía y la Sistemática, las cuales junto a las anteriores, permiten determinar el grado de parentesco que existe entre los diferentes organismos vivos.
Genética y Citogenética Comparada
La Genética permite comparar las mutaciones, por ejemplo el albinismo es un carácter común en un gran número de vertebrados (canguro, cuervo, tortuga, salamandra, salmón, mono) y en todos los casos de albinismo, se debe a un defecto en la enzima que cataliza la síntesis del pigmento melanina. Este es un fenómeno que se produce por una misma causa, en organismos de especies diferentes (mutación homóloga), lo que permite deducir que estas especies se encuentran relacionadas filogenéticamente.
La citogenética a su vez, permite establecer relaciones evolutivas entre los diferentes organismos mediante la comparación de sus cariotipos.
Fisiología Comparada
Esta ciencia aporta pruebas de la evolución mediante la comparación de la forma de ocurrencia de diferentes procesos fisiológicos.
Parasitología Comparada
Esta ciencia compara los diversos tipos de parásitos y sus relaciones con los organismos que parasitan.
Etología Comparada
Ciencia que estudia comparativamente los diferentes tipos de conductas en los organismos, lo que revela junto a otros datos, sus afinidades evolutivas.
Sistemática
Ciencia de la clasificación de los organismos, la cual brinda una prueba especial del hecho de la evolución. Mediante ella los organismos se pueden agrupar en categorías sistemáticas escalonadas porque existen determinadas divergencias y afinidades entre ellos.
Pruebas directas
Las pruebas directas de la evolución son aportadas por la Paleontología, esta es la ciencia que estudia los fósiles. La mayoría de los fósiles son cuerpos mineralizados de estructura dura en los cuales, molécula a molécula, la materia orgánica ha sido sustituida por materia inorgánica mineral. Además se llama fósil a toda huella dejada por un organismo que generalmente ya no existe en la actualidad.
Los fósiles más conocidos son aquellos de estructura dura como huesos y dientes, aunque también se han hallado fósiles como el mamut que se encontró congelado en Siberia, mosquitos conservados en ámbar, plantas, amonites, trilobites, dinosaurios, etc. (Figura 1.6).
Figura 1.6: Fósil de Amonites (A). Fósil de Trilobites (B).
La paleontología permite el estudio de la vida prehistórica vegetal y animal, que se realiza mediante el análisis de restos fósiles. El estudio de dichos restos permite a los científicos determinar la historia evolutiva de organismos extintos.
La paleontología también desempeña un papel principal en el conocimiento de los estratos rocosos o capas de la tierra. Esta ciencia contribuye a la elaboración de mapas geológicos muy precisos utilizando para ello la información detallada sobre la distribución de los fósiles en los estratos, mediante métodos de datación para estimar de esta forma la edad de las rocas.
La mejor evidencia que aportan los fósiles son las formas de transición.
Se plantea que si un grupo biológico A por evolución se convierte en B, deben existir individuos con características intermedias entre A y B, y en efecto existen fósiles que son formas intermedias entre los antepasados más primitivos y las formas más evolucionadas, recibiendo el nombre de formas de transición. Entre los ejemplos de dichas formas se encuentran el Ichthiostegas, individuo con características de peces y anfibios, así como el Archaeopteryx litographica, reptil que poseía plumas como las aves actuales.
Otro ejemplo se refiere al fósil de un reptil parecido a un mamífero que vivió en la Era Paleozoica, llamado Cynognathus (reptil de mandíbula de perro) el cual presentaba un cráneo con características intermedias entre los reptiles y los mamíferos (Figura 1.7).
A B
Figura 1.7: Fósil de Archaeopteryx litographica (A). Fósil de Cynognathus (B).
La Paleontología también permite establecer líneas evolutivas gracias a la construcción de árboles filogenéticos mediante el análisis de fósiles de determinados grupos. Los árboles filogenéticos permiten establecer líneas evolutivas que conducen a una determinada especie. Un ejemplo de lo anterior es el estudio filogenético de la especie humana a partir de los fósiles de un grupo de homínidos, individuos intermedios entre los monos y el hombre, que se estudiará en el próximo epígrafe.
La paleontología es una ciencia que prueba el hecho de la evolución pero no como se ha llevado a cabo este proceso, cuya explicación se basa en la Teoría Sintética de la Evolución.
Evolución Humana
La evolución humana es la ciencia que estudia el desarrollo biológico y cultural de la especie Homo sapiens, el ser humano actual.
El estudio de la evolución del hombre se basa en un gran número de fósiles hallados en diversos lugares de África, Europa y Asia. También se han descubierto numerosos utensilios y herramientas de piedra, hueso y madera, así como restos de fogatas, campamentos, asentamientos y enterramientos.
A raíz de estos descubrimientos, que pertenecen al campo de la arqueología y la paleoantropología, se ha podido realizar una reconstrucción histórica de la evolución humana, dentro del grupo de los primates, durante los últimos 5 millones de años (Figura 1.8).
Figura 1.8: Evolución de los primates.
Los estudios moleculares, anatómicos y de fósiles arrojan que existe una gran similitud entre el hombre actual y los monos más evolucionados como el Gorila y el Chimpancé, por lo que muchos científicos plantean la existencia de un ancestro común para dichos organismos (Figura 1.9).
Figura 1.9: Cráneo y arcada dentaria del Gorila y del hombre actual.
El hombre actual está clasificado en:
⦁ Reino Metazoos (animales pluricelulares)
⦁ Filo Cordados (animales con notocordio)
⦁ Subfilo Vertebrados (animales con columna vertebral)
⦁ Clase Mamíferos (animales con glándulas mamarias)
⦁ Orden Primates (prosimios, monos y hombre)
⦁ Familia Homínidos (hombres primitivos y hombre actual)
⦁ Género: Homo
⦁ Especie: Homo sapiens
⦁ Subespecie: Homo sapiens sapiens
Se plantea que a partir de un grupo de primates primitivos denominados Dryopithecus, se originaron por un proceso evolutivo de millones de años, dos grupos diferentes: los póngidos (Gibón, Orangután, Chimpancé y Gorila) y los Ramapithecus los cuales a su vez originaron a los homínidos (Australopithecus y los individuos del género Homo):
Dryopithecus
Ramapithecus Póngidos
Australopithecus
Homo
Los Dryopithecus eran individuos cuadrúpedos, arborícolas, vivían en hábitats boscosos y tenían caninos grandes pero no muy robustos. Los Ramapithecus presentaban incisivos y caninos reducidos, el rostro corto y una mandíbula robusta y poco elevada (Figura 1.10).
A B
Figura 1.10: Dryopithecus (A). Ramapithecus (B).
Los Australopithecus poseían una gran adaptabilidad a la vida en las praderas y bosques, dieta vegetal con tendencia a una alimentación omnívora, cráneos no tan robustos, reducción del tamaño de los dientes, aumento del cerebro y marcha bípeda (Figura 1.11).
Figura 1.11: Australopithecus.
Existen varias especies de Australopithecus, entre los que se encuentran Australopithecus anamensis, Australopithecus ramidus, Australopithecus afarensis, Australopithecus rudolfensis, Australopithecus robustos y Australopithecus africanus (Figura 1.12). De todos ellos se considera que el Australopithecus africanus es el que origina a los individuos del género Homo.
A B C
Figura 1.12: Australopithecus afarensis (A, B). Australopithecus africanus (C).
Entre las características generales del género Homo se encuentran la tendencia cosmopolita, una mayor adaptabilidad al ambiente, alimentación omnívora, aumento de tamaño y del cerebro, bipedalismo eficiente y uso de herramientas. Entre los ejemplos del género Homo se encuentran el Homo habilis, Homo ergaster, Homo erectus, Homo antecessor, Homo heidelbergensis, Homo neanderthalensis y Homo sapiens (Figura 1.13). Dentro del Homo sapiens se encuentra el Homo sapiens fossilis (Hombre de Cro – Magnon) y el Homo sapiens sapiens (Hombre actual) (Figura 1.14).
A B C
D E F
Figura 1.13: Homo habilis (A). Homo ergaster (B). Homo erectus (C). Homo antecessor (D). Homo heidelbergensis (E). Homo neanderthalensis (F).
Figura 1.14: Cráneo de los primeros Homo sapiens.
Entre los aspectos culturales más importantes de estos homínidos se encuentran por ejemplo que el Homo habilis utilizaba utensilios de piedra que incluían pequeños cuchillos afilados, trituradores y raspadores, que servían para preparar los alimentos provenientes de vegetales y animales de gran tamaño, que al parecer eran obtenidos como carroña y no por la vía de la caza. El Homo erectus por su parte, poseía una nueva herramienta, el hacha de mano, lo que indicaba la aparición de una tradición cultural en la que las habilidades y el aprendizaje se trasmitían de una generación a la otra. Además esta especie adquirió la capacidad de controlar el fuego y fue el primero de los homínidos que habitó en el interior de las cavernas. El Homo neanderthalensis utilizaba utensilios manuales de piedra mucho más sofisticados que los del Homo erectus y enterraban a sus muertos frecuentemente con alimentos, armas y flores de primavera surgiendo una creencia en la vida después de la muerte. Ellos también, cuidaban a sus enfermos y ancianos.
Para determinar las relaciones evolutivas entre estos grupos de homínidos y el hombre actual, se ha tenido en cuenta fundamentalmente los aspectos de sus cráneos (Figura 1.15) y esqueletos (Figura 1.16), obtenidos a partir de los hallazgos fósiles que aportan pruebas directas de la evolución.
Figura 1.15: Cráneos de homínidos.
Figura 1.16: Esqueletos de homínidos.
Las principales características anatómicas que diferencian al hombre actual (Homo sapiens sapiens) del resto de los primates son: posición erecta y manos libres; brazos cortos, piernas largas y rectas; pie de planta plana y con dedo gordo que no puede separarse del resto; cara pequeña, corta y sin hocico; arcada dentaria de forma parabólica; caninos poco desarrollados; pulgar oponible de gran movilidad; columna vertebral con una curvatura típicamente humana; y un gran tamaño cerebral en comparación con el cuerpo.
Sin embargo, son las características conductuales las que hacen único al hombre, no solo entre los primates, sino entre todos los seres vivos, entre los que se destacan: andar bípedo; elaboración consciente de herramientas; gran capacidad de aprendizaje por una infancia prolongada; conducta social muy compleja; dieta omnívora; visión de la profundidad más precisa; lenguaje articulado; actividad sexual continua; inteligencia extremadamente desarrollada; y elevado nivel cultural.
La comprensión actual de la evolución humana está basada en los estudios fósiles descubiertos, pero el panorama dista mucho de estar completo. Solo los futuros descubrimientos permitirán a los científicos cubrir las grandes lagunas en la concepción actual de dicho proceso evolutivo.
Mediante el uso de complejos dispositivos tecnológicos, así como el mayor conocimiento de los modelos geológicos, los antropólogos estarán en condiciones de señalar los lugares más propicios para la búsqueda selectiva de nuevos fósiles.
Además, los estudios genéticos, incluyendo la posible extracción del ADN de los fósiles, serán cruciales para reconstruir los orígenes del hombre. En los años venideros esto producirá un gran avance para comprender la prehistoria de la humanidad.
Al mirar al hombre solo como una entidad puramente biológica, él es una más de las cerca de millón y medio de especies vivientes que habitan en nuestro planeta. Sin embargo, es el único organismo vivo que sabe que evoluciona y que es capaz de influir sobre dicha evolución y como la evolución humana es un proceso biológico –social, entonces el control de la evolución por el propio hombre, puede ser también biológico – social.
Ambos controles deben tener un desarrollo paralelo, pues no se concibe que el hombre mejore su patrimonio genético y al mismo tiempo, viva en un ambiente depauperado desde un punto de vista social, por lo que ningún mecanismo de mejoramiento genético de la especie humana será realmente efectivo, si no se eliminan todos los problemas que impiden el mejoramiento social del hombre, básicamente la explotación de unas clases por otras, el racismo, las guerras y muchas otras calamidades.
La evolución conllevó a que la materia se desarrollara gradualmente, alcanzando diferentes grados de complejidad. El hombre para facilitar el estudio de esta, la ha subdivido en los denominados niveles de organización de la materia.
Resumen:
La Tierra tiene una larga historia y todos los organismos vivos incluyendo al ser humano se originaron en el transcurso de esa historia de formas anteriores más primitivas. Esta evidencia acumulada está formada por una trama tejida con miles y miles de datos concernientes a los organismos del pasado y del presente, incluyendo estructuras anatómicas, patrones de desarrollo embrionario y de comportamiento y más recientemente las secuencias de información genética codificada en las moléculas de ADN de los cromosomas”. Esta valoración general de los Biólogos Modernos resume la importancia de incluir en este texto el tema sobre el Origen y Evolución de la Vida con el objetivo de argumentar la importancia del proceso evolutivo ocurrido en la materia como la forma que ha permitido el surgimiento y desarrollo de la vida a través de la explicación de las teorías que existen y se mantienen vigentes en la actualidad relacionadas con este tema.
Niveles de Organización de la Materia
La materia original de nuestro planeta durante miles de millones de años se ha transformado y evolucionado hacia formas cada vez más complejas. El mundo actual es el resultado de este interminable proceso evolutivo en el transcurso del cual, en algún momento, se originó la vida, una forma superior de la materia.
Los hombres de ciencia al estudiar la materia observaron que esta es susceptible de ser clasificada en niveles de complejidad creciente a los cuales les llamaron niveles de organización de la materia, que abarca el mundo abiótico y el biótico.
Estos niveles son: atómico, molecular, celular, organismo, población, comunidad y biosfera (Figura 1.17).
Figura 1.17: Niveles de organización de la materia.
Los niveles abióticos son el atómico y el molecular y como podemos inferir en ellos no hay vida, esto no quiere decir que no hay organización, estos niveles se rigen por leyes que le son propias: las leyes físicas y químicas. Los niveles restantes (celular, organismo, población, comunidad y biosfera) son todos bióticos, es decir sus componentes son sistemas vivientes cuyas características se verán más adelante.
A la diversidad de materia corresponde diversos tipos de movimientos.
Como se puede observar los niveles de organización de la materia se representan en formas de esferas incluidas unas dentro de las otras, siendo la más interna la de menor complejidad, esto se debe a que cada nivel contiene como componente al nivel inferior y a la vez forma parte de los niveles superiores, las leyes o reglas que se encuentran en un nivel pueden no aparecer en el nivel inferior y no son la suma de las de los niveles inferiores. A medida que se asciende en la escala de los niveles hay un aumento en la complejidad de cada nivel, en el tamaño de la unidad y en los requerimientos energéticos.
La biología se interesa en fenómenos que abarcan desde la estructura de las moléculas hasta las interacciones de ecosistemas formados por ciento de especies y su entorno físico.
El objeto de estudio de la biología puede visualizarse como una jerarquía en la cual los objetos estudiados en un nivel son los bloques constructivos de los niveles superiores.
Así, las células están compuestas por moléculas, los órganos por diversos grupos de células diferentes, los organismos pluricelulares están formados por diversos grupos de células especializadas, que alcanzan un nivel de complejidad estructural y funcional elevado, dando lugar a los tejidos, órganos y sistemas de órganos. Los organismos a su vez forman las poblaciones y las comunidades.
Los biólogos estudian cómo las unidades interactúan entre sí y se ajustan las unas a las otras. A continuación caracterizaremos brevemente cada uno de los niveles de organización de la materia.
Nivel atómico
Se conoce como átomo a la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra "átomo" se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa "partícula fundamental", por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indivisible. De hecho, átomo significa en griego "no divisible". El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre el mismo.
Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión intima conocida como compuesto químico. El aire en cambio, resulto ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.
Este es el nivel conocido menos complejo de organización de la materia. Toda la materia, viva o inanimada, está compuesta por átomos, cada átomo posee un núcleo denso, positivamente cargado, alrededor del cual se mueven uno o más electrones, el núcleo posee uno o más protones y uno o más neutrones (Figura 1.18).
Los electrones, protones y neutrones son llamados partículas subatómicas. En este nivel encontramos elementos que aparecen en la Tabla Periódica, como por ejemplo, los átomos de hidrógeno, oxígeno, cloro, aluminio, nitrógeno, hierro, calcio, carbono y potasio.
Figura 1.18: Modelos sobre la estructura atómica.
Los átomos poseen características o propiedades que le son propias: peso atómico, electronegatividad, etc., y su movimiento en el espacio depende de leyes físicas. El movimiento físico es característico de este nivel, incluye el desplazamiento de un cuerpo en el espacio, la luz, el calor, las ondas electromagnéticas, etc.
Todos los átomos de un elemento determinado tienen el mismo número de protones en su núcleo. Sin embargo, en algunas ocasiones, diferentes átomos del mismo elemento contienen diferente cantidad de neutrones, los cuales difieren entre sí en relación a su peso molecular. Estos son los denominados isótopos del elemento, los cuales desempeñan un papel importante en el tratamiento de muchas enfermedades fundamentalmente en el cáncer.
Nivel molecular
La molécula es la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas y físicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, estas tendrán una naturaleza diferente que la de la sustancia original.
Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes y cada una a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno. Cada molécula se presenta de forma independiente de las demás. Si se encuentran dos moléculas, se suele producir un rebote sin que ocurran cambios fundamentales. En caso de encuentros más violentos se producen alteraciones en la composición de las moléculas y pueden tener lugar transformaciones químicas.
Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene un gran número mayor de átomos. Existen moléculas compuestas de cientos, miles, incluso millones de átomos.
Gran parte de la química moderna está dedicada al estudio de la composición, estructura y tamaño de las moléculas. Para estudiar las moléculas y sus reacciones se emplean descargas de rayos láser de muy corta duración.
Cuando entre dos o más átomos se establece un enlace de cualquier tipo (iónico, covalente o metálico) se forma una molécula. La diversidad de átomos y sus combinaciones determinan la existencia de diferentes moléculas. Los átomos también pueden combinarse por interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno y otras.
Al nivel molecular ocurren las reacciones químicas. Los procesos químicos que suceden en la digestión química de los alimentos, por ejemplo, se refiere al nivel molecular porque son moléculas las que interactúan entre sí. Al unirse dos átomos de hidrógeno se forma la molécula de hidrógeno, dos átomos de oxígeno dan lugar a la molécula de oxígeno, dos átomos de calcio forman la molécula de calcio y así sucesivamente con el resto de las moléculas.
Cada bacteria contiene aproximadamente 5 000 clases de macromoléculas diferentes, algunas de las cuales desempeñan funciones estructurales, otras regulan las funciones celulares y casi 1000 de ellas están implicadas en los mecanismos relacionados con la información genética.
Es importante que al combinarse los átomos se presentan nuevas propiedades de la materias que no son la suma mecánica de las propiedades de los átomos que interactúan al formar las distintas moléculas; por ejemplo, al unirse dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno se forma el agua (en estado líquido), sin embargo el hidrógeno y el oxígeno por separados son gases.
El nivel molecular se caracteriza por el movimiento químico dado por las reacciones químicas entre átomos y moléculas. Este tipo de movimiento incluye el movimiento físico pues las reacciones químicas dependen de las propiedades físicas de los reaccionantes, como el número atómico o el estado físico.
Entre las moléculas importantes para la vida podemos mencionar: el agua, el dióxido de carbono, amoníaco, metano, butano, aminoácidos, proteínas, monosacáridos, polisacáridos, bases nitrogenadas, ácidos nucleicos, etc. (Figura 1.19).
Figura 1.19: Ejemplos del nivel molecular.
Nivel celular
La asociación de moléculas complejas constituyen sistemas donde las relaciones que se establecen entre las moléculas forman un todo integrado en una unidad morfofuncional: la célula. Cada una de las moléculas mantiene su estructura, sigue siendo proteína, carbohidrato, pero dentro del sistema tienen posición y relaciones determinadas, que no hacen del conjunto una simple suma sino algo más complejo.
Se conoce como célula a una pequeña porción de la materia que constituye la unidad básica de estructura y función de los seres vivos, formada por el material nuclear y citoplasma delimitado por una membrana y en ellas se realizan las reacciones de síntesis y degradación en estrecha interrelación con el medio externo.
En la célula ocurren procesos como: nutrición, respiración y otros que constituyen el metabolismo, esto condiciona el surgimiento de la vida como nueva propiedad de la materia, como forma de existencia de los cuerpos que contienen proteínas y ácidos nucleicos, cuya esencia consiste en el intercambio continuo de sustancias, energía e información con el medio natural fuera de ellos, a este intercambio se le denomina metabolismo, acabando la vida al cesar este recambio lo que causa la descomposición de las proteínas y los ácidos nucleicos.
Aparejado al origen de la vida encontramos el surgimiento del movimiento biológico de la materia, que abarca todos los precedentes combinados de forma que aparecen propiedades y procesos nuevos como la reproducción, secreción, excreción, etc.
Existe una gran variedad de tipos celulares en los organismos vivos. Como ejemplos de este nivel se pueden citar las células musculares, epiteliales, nerviosas, linfocitos, monocitos, granulocitos, leucocitos, eritrocitos, osteoblastos, condroblastos, ovocitos, espermatozoides, bacterias, protozoos, etc. (Figura 1.20)
A B C
D E F
Figura 1.20: Ejemplos del nivel celular. Linfocitos (A). Eritrocitos (B). Células musculares (C). Células nerviosas (D). Protozoos flagelados (E). Paramecio (F).
El cuerpo humano está constituido por billones de células individuales y por 200 tipos celulares diferentes, cada una especializada en una función específica, pero todas actuando coordinadamente como un todo integro y funcional.
Entre las células del organismo humano se encuentran los glóbulos rojos o eritrocitos sanguíneos, los cuales cuando maduran, pierden su núcleo y sus organelos citoplasmáticos.
Nivel de organismo
Se conoce como organismo a todo ser vivo (célula o conjunto de células) que está capacitado para realizar individualmente intercambios de materia y energía con el medio ambiente y para formar réplicas de si mismo.
Un organismo es un sistema autorregulado de materia viva que funciona como un todo independiente, en constante intercambio de sustancias, energía e información con el medio ambiente lo que permite su desarrollo individual y reproducción.
Durante el proceso evolutivo de la materia viva, en los primeros tiempos, se formaron organismos unicelulares, por ejemplo: las bacterias y los protistas, como resultado del desarrollo gradual de los sistemas vivientes surgieron los organismos pluricelulares, en estos las células se diferencian y especializan asociándose formando tejidos, órganos y sistema de órganos, todos los cuales funcionan de modo armónico y regulado, pero a la vez cada célula realiza funciones que permiten su propia vida como la nutrición y la respiración.
Los organismos unicelulares están formados por una sola célula la cual realiza todas las funciones vitales. En los organismos pluricelulares, formados por muchas células, se produce una especialización que hace más eficaz al conjunto. Así, hay muchas células encargadas de la nutrición del individuo pero también las hay diferenciadas para realizar las funciones de respiración y reproducción.
En los organismos unicelulares se pueden encontrar dos tipos de organización celular. Son procariotas si el material genético no está delimitado por una membrana o envoltura nuclear. Esto ocurre en las bacterias y en las algas verdeazules o cianobacterias.
Las células eucariotas, por su parte, tienen el material genético delimitado del citoplasma mediante una doble membrana formando la estructura del núcleo. A este tipo celular pertenecen organismos unicelulares, como los protozoos, pero también las células que forman los seres vivos pluricelulares.
Es válido destacar que los organismos unicelulares, ya sean procariotas o eucariotas, se encuentran ubicados dentro del nivel celular y el nivel organismo debido a que cumplen con las características de ambos niveles.
Los organismos, según la forma de nutrición, pueden ser autótrofos o heterótrofos. Los primeros utilizan como fuente de carbono, el dióxido de carbono (CO2) y como fuente energética, la luz o la energía que se desprende en reacciones químicas.
Las plantas, las algas verdeazules y algunas bacterias, son ejemplos de organismos autótrofos. Los animales, hongos y muchas bacterias, que son heterótrofos, no pueden asimilar el carbono oxidado y necesitan obtenerlo en forma de moléculas elaboradas por los autótrofos.
Las teorías vigentes sobre el origen de la vida apuntan que los primeros organismos eran procariotas y heterótrofos. Después, al escasear los recursos en el planeta, algunos se especializaron para realizar la fotosíntesis o la quimiosíntesis y así surgieron los autótrofos. Surgieron después los organismos eucariotas, tanto autótrofos como heterótrofos.
En algunas líneas, las células eucariotas se asociaron y formaron colonias. Las células de algunas de estas se especializaron, se hicieron interdependientes y constituyeron los primeros organismos pluricelulares.
El hombre al estudiar los organismos descubrió que entre ellos existen semejanzas que permiten agruparlos para facilitar su estudio. Existen varias propuestas de clasificación, una de las más utilizadas es la de los cinco reinos.
Desde los tiempos de Aristóteles, los biólogos han dividido el mundo de los seres vivos en dos reinos: vegetal y animal, entendiéndose por vegetal a los árboles, arbustos, flores y enredaderas, y por animales a los gusanos, insectos, caracoles, peces, anfibios, reptiles, aves, mamíferos, entre otros. Sin embargo en el planeta existen muchos seres vivos que no comparten características con las mencionadas anteriormente, por lo que no son incluidos en los dos reinos señalados.
Es por esto que la clasificación de los organismos en reinos más aceptada en la actualidad es la propuesta por R.H.Whittaker en 1969 la cual incluye a todos los seres vivos en los siguientes cinco reinos:
⦁ Móneras (Figura 1.21)
⦁ Protistas (Figura 1.22)
⦁ Fungi (Figura 1.23)
⦁ Plantas (Figura 1.24)
⦁ Metazoos o Animales (Figura 1.25)
A B
Figura 1.21: Representantes del Reino Móneras. Bacteria Espiroqueta (A). Algas Verdeazules (B).
A B
Figura 1.22: Representantes del Reino Protistas. Flagelado (A). Paramecio (B).
A B
Figura 1.23: Representantes del Reino Fungi. Penicilio (A). Setas (B).
Figura 1.24: Representantes del Reino Plantas.
Figura 1.25: Representantes del Reino Metazoos.
En la Tabla 1.2 se relacionan las principales diferencias entre los diferentes reinos.
Móneras Protistas Fungi Plantas Animales
Tipo celular Procariota Eucariota Eucariota Eucariota Eucariota
Nutrición Autótrofos y
Heterótrofos Autótrofos y
Heterótrofos Heterótrofos Autótrofos Heterótrofos
Cantidad de células Unicelulares Unicelulares Unicelulares y Pluricelulares Pluricelulares Pluricelulares
Formación de
micelios No No Sí No No
Ejemplos
Bacterias(cocos, bacilos, espirilos,
vibriones), algas verdeazules,
micoplasmas y
ricketsias Euglena, Paramecio, Ameba,
Giardia, Plasmodio, Trichomonas, etc Levaduras, Penicilio,
Setas, Mohos, etc. Helechos, árboles, arbustos, palmas, etc. Poríferos, celenterados,
platelmintos, nematelmintos,
anélidos, artrópodos, moluscos,
equinodermos,
peces, anfibios,
reptiles, aves y mamíferos
Tabla 1.2: Características de los cinco Reinos de Whittaker.
Nivel de población
Una población es un conjunto de organismos de la misma especie que se relacionan entre sí y con el medio ambiente y que viven en un lugar determinado y en un momento dado, cuyo desarrollo está regulado por el alimento, espacio disponible, etc. Difícilmente se encuentran poblaciones aisladas pues ellas conviven con poblaciones de otras especies compartiendo el mismo espacio.
En las poblaciones se manifiestan características de grupo que no se presentan en los organismos ni en las comunidades tales como densidad, natalidad, mortalidad y distribución, además el potencial biótico (tendencia a aumentar en número, bajo condiciones ambientales ideales) y la resistencia ambiental (conjunto de factores biótico y abióticos que impiden su reproducción al máximo) que regulan el crecimiento de las poblaciones. Entre los miembros de una población se establecen relaciones denominadas intraespecíficas: territorialidad, competencia intraespecífica (por el espacio, el alimento, la pareja, el agua, etc.) y otras.
El Cob de Uganda es un mamífero cuyo macho se exhibe en su territorio, que tiene aproximadamente 15 metros de diámetro y está rodeado por varios terrenos semejantes en los cuales se exhiben otros machos de la especie. Una hembra realiza su selección entrando en uno de los terrenos preferidos. Solamente una pequeña cantidad de individuos machos posee terrenos preferenciales para las hembras por lo que son los de mayores posibilidades de aparearse.
Dentro de cada especie, la población representa la unidad básica de la evolución pues en ella es donde ocurren los cambios que posibilitan su adaptación a las diversas condiciones ambientales donde viven.
Se pueden citar como ejemplos de poblaciones los siguientes casos:
⦁ Agrupación de individuos de la especie de planta Ceibón que habitan en los mogotes de Viñales (Cuba) durante todo el año.
⦁ Población de la Mariposa Monarca que habitó en el Parque Nacional del mismo nombre (México) en 1994 durante el período de migración.
⦁ Conjunto de flamencos que viven en las aguas estancadas del Parque Jaragua (República Dominicana) en el período de reproducción.
⦁ Población de una especie de Pájaro Campana que habitaba en el Parque Nacional Boquerón (Paraguay) en los meses de verano de 1998.
⦁ Conjunto de individuos de elefantes africanos que vivió en la época de menos sequía de 1983 en el sur del desierto del Sahara (Figura 1.26).
⦁ Población humana de Hiroshima (Japón) en agosto de 1945, año en que se lanzó la bomba atómica.
Figura 1.26: Ejemplos del nivel de población.
Nivel de comunidad
Es el conjunto de poblaciones de diferentes especies que habita en un área determinada y en un momento dado y que se encuentran en mutua interacción y dependencia. En una comunidad las poblaciones establecen relaciones y los cambios que se producen en el desarrollo de una población pueden afectar a las otras que comparten la comunidad. De donde podemos inferir que la población y la comunidad no son simples agregados de organismos sino niveles bióticos en los que cada elemento es parte del todo y contribuye al mantenimiento del conjunto.
En las comunidades se establecen relaciones entre las poblaciones desde el punto de vista nutritivo, estas relaciones están comprendidas en la existencia de las cadenas de alimentación por las cuales fluye la energía que es necesaria para mantener el movimiento de las diferentes poblaciones que constituyen la comunidad.
En una cadena de alimentación las sustancias que provienen del funcionamiento e intercambio de los organismos así como de la descomposición de estos al morir no fluyen sino que realizan un ciclo, es decir pasan de unos a otros y de estos al medio ambiente retornando a los primeros y comenzando de nuevo el ciclo; sin embargo la energía proveniente del Sol es transformada en energía química por los organismos que realizan la fotosíntesis y fluye de un organismo a otro en una sola dirección, parte de la energía se disipa.
En la cadena de alimentación los organismos ocupan posiciones según el nivel trófico:
⦁ Productores (fotosintetizadores fundamentalmente como plantas y algas).
⦁ Consumidores: herbívoros (consumidores primarios), carnívoros primarios (consumidores secundarios), carnívoros secundarios (consumidores terciarios).
⦁ Descomponedores (bacterias y hongos).
El flujo de energía se establece sobre la base de las relaciones alimentarias o tróficas entre los productores, consumidores y descomponedores, y se realiza en una sola dirección.
La energía química fluye de los productores a los consumidores, y en cada traspaso una parte de la misma es transformada en otro tipo de energía la cual es disipada. De esta forma la energía disminuye notablemente al pasar de un eslabón a otro de la cadena de alimentación.
Al igual que en las poblaciones donde se establecen relaciones entre sus miembros, en las comunidades tiene lugar las denominadas relaciones interespecíficas que son aquellas que se establecen entre los organismos de diferentes especies que forman parte de la comunidad, como por ejemplo, el comensalismo, mutualismo, depredación, parasitismo y la competencia interespecífica.
El mutualismo es aquella relación interespecífica donde los individuos de diferentes especies se benefician mutuamente. Un ejemplo de dicha relación es la que se establece entre especies de árboles acacias y las hormigas Crematogaster, las cuales habitan en las espinas de dichas plantas obteniendo el alimento a partir de las glándulas secretoras del néctar de las hojas, y a su vez eliminan los organismos herbívoros que viven en las acacias.
Se puede citar como ejemplos de comunidades:
⦁ Conjunto de individuos de especies de anfibios y reptiles que habitan en la Ciénaga de Zapata (Cuba) en la estación de lluvias de 1962.
⦁ Agrupaciones de individuos de diferentes especies como el Oso Grizzly, Alce Americano, Bisonte, Nutria, Águila y Pelícano, que viven en el bosque de Coníferas del Parque Nacional Yellowstone (Estados Unidos) durante la temporada de alta asistencia de público de 1996.
⦁ Parque Nacional Cahuita (Costa Rica) que alberga una variada fauna, como osos colmeneros, mapachines, monos carablanca, perico aliamarillo, garzas nocturnas, erizos de mar, tortugas, morenas y anémonas.
⦁ En las Islas Galápagos (Ecuador) Durante la época de verano se puede encontrar una amplia variedad de animales silvestres como tortugas, iguanas y más de 80 especies de aves, entre las que se incluyen pingüinos, pinzones y flamencos.
⦁ Conjunto de especies de plantas que conforman los bosques densos de los Andes Patagónicos como los arrayanes, maitanes, lapachos y radales, en el mes de abril de 1987.
⦁ Conjunto de diferentes especies de animales y plantas que habitaban en la cuenca del Amazonas en la época invernal de 1992.
⦁ Agrupación de diferentes especies de peces y corales que se encontraban en el Mar Rojo, durante el mes de junio de 1999 (Figura 1.27).
Figura 1.27: Representación del nivel de comunidad.
Nivel de biosfera
La biosfera es una capa relativamente delgada de aire, tierra y agua capaz de dar sustento a la vida, que abarca desde varios kilómetros de altitud en la atmósfera hasta el más profundo de los fondos oceánicos. En esta zona la vida depende de la energía del Sol y de la circulación de calor y los nutrientes esenciales. La biosfera ha permanecido lo suficientemente estable a lo largo de cientos de millones de años como para permitir la evolución de las formas de vida que hoy conocemos.
La biosfera es la parte de la corteza terrestre en la que se manifiesta la vida y está compuesta por todos los organismos en estrecha relación entre sí y con los factores abióticos. Comprende todas las comunidades de la Tierra que al interactuar unas con otras ponen de manifiesto el equilibrio de la naturaleza en su más alta expresión (Figura 1.28).
Figura 1.28: Representación del nivel de biosfera.
A pesar de esta diversidad, existe una unidad subyacente, cada organismo dentro de la biosfera afecta directa o indirectamente la vida de otros. La vida, donde quiera que exista está organizada con los mismos principios básicos y en los diversos ecosistemas presentes en océanos, lagos, bosques, sabanas, ríos, etc. Operan de manera similar: la energía fijada por las plantas fluye a través de los organismos y los nutrientes fijados en sus tejidos son reciclados de un grupo a otro y devueltos finalmente mediante la descomposición, al ambiente en que viven los organismos.
En el planeta existen diferentes regiones en las cuales viven organismos que poseen un conjunto de adaptaciones en relación con las características propias de cada región, entre las cuales se destacan los bosques, la tundra, las praderas templadas, las sabanas, los matorrales mediterráneos, los desiertos y las selvas tropicales. Además en los países del mundo existen los denominados Parques Nacionales y Reservas de la Biosfera, que son áreas seleccionadas por los gobiernos o por organizaciones para protegerlas de manera especial contra el deterioro y la degradación medio ambiental y que permiten la preservación de aquellas zonas que constituyen el hábitat de especies protegidas o amenazadas y la consideración de una región como patrimonio cultural de un país.
El desierto de Sonora, ubicado en Norteamérica se caracteriza por el déficit de agua. La planta dominante de dicho desierto es el Cactus Saguaro Gigante, el cual posee una altura hasta de 15 m y es capaz de almacenar agua en su estructura de tallo engrosado que puede alargarse después de cada época de lluvia.
Resumen:
El planeta tierra, tal y como lo conocemos, es el resultado de un largo proceso evolutivo, durante este proceso de transformaciones continuas de la materia, vinculado al mismo desarrollo del universo, la materia fue integrándose en unidades que presentaban cada vez mayor complejidad. Los estudios realizados sobre la materia han permitido a los hombres de ciencia conocer su complejidad y comprender que para su mejor estudio puede ser organizada en niveles de complejidad creciente.
Al estudiar los niveles de organización de la materia se evidencia el aumento de complejidad, de requerimientos energéticos y del tamaño de las unidades, la biosfera es el máximo nivel donde se encuentra inmerso el hombre interactuando con los factores abióticos, bióticos y sociales. La materia se encuentra organizada por niveles que van desde los más simples hasta los más complejos, como resultado del desarrollo de la materia en la Tierra se originaron los sistemas vivientes, los cuales no son la suma mecánica de los niveles precedentes, puesto que presentan características nuevas, exclusivas, y constituyen otro nivel de organización de la materia.
Cada nivel de organización biológica tiene propiedades que no se encuentran en los niveles más bajos, las moléculas que forman a las células y a los organismos individuales carecen de las propiedades que presentan estos. Los individuos nacen y crecen, pero ningún individuo posee natalidad ni mortalidad, una población si. Las poblaciones también presentan distribución por edades y densidad. Las comunidades ecológicas pueden describirse en términos de flujo de energía, ciclos de alimentación y relaciones interespecíficas.
La vida en la Tierra, como resultado de la evolución también se organiza y al hacerlo, los organismos, las poblaciones y las comunidades se relacionan obligadamente entre sí, y con los factores abióticos que les rodea, y con ello se constituye el nivel más alto de organización que existe: la biosfera.
BIOMOLÉCULAS
Todos los fenómenos biológicos descansan sobre una base molecular. Las moléculas que integran los organismos vivos no solo se rigen por todos los principios físicos y químicos que gobiernan el comportamiento de todas las moléculas, sino también por otro conjunto de reglas fundamentales que existen en la naturaleza: las funciones e interacciones de los tipos específicos de moléculas presentes en los organismos vivos las cuales los dotan de la capacidad de organizarse y reproducirse por si mismos. Las bases moleculares de la vida que se estudiarán a continuación son:
⦁ Agua
⦁ Minerales
⦁ Vitaminas
⦁ Lípidos
⦁ Carbohidratos
⦁ Ácidos nucleicos
⦁ Proteínas
Agua
De todas las moléculas que componen a los organismos vivos la más abundante es sin duda el agua. Esta sustancia se encuentra formando entre el 50 y el 95 % del peso de cualquier organismo vivo.
El agua es el líquido más común en el planeta, ocupando las ¾ partes
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