UNIDAD 1
¿CÓMO ESTUDIAN LOS CIENTÍFICOS LA VIDA?
La vida puede estudiarse en diferentes niveles de organización.
Los seres vivos y la materia inanimada tienen varios niveles de organización. Cada nivel
constituye los cimientos del nivel superior y cada nivel superior incorpora componentes de
todos los anteriores.
Toda la materia sobre la Tierra está compuesta por átomos de sustancias llamadas elementos,
y cada cual es único. Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva
todas las propiedades de éste. Los átomos se combinan de maneras específicas para formar
cadenas llamadas moléculas. Aunque muchas moléculas simples se forman espontáneamente,
los seres vivos elaboran moléculas muy grandes y complejas. El cuerpo de los seres vivos –los
organismos –está compuesto de moléculas complejas llamadas moléculas orgánicas.
Aunque los átomos y las moléculas constituyen los bloques de construcción de la vida, la
verdadera cualidad de la vida surge en el nivel celular. Así como un átomo es la unidad mínima
de un elemento, la célula es la unidad mínima de la vida. Muchas formas de vida constan de
células únicas, pero en los organismos multicelulares, las células del mismo tipo se combinan
para formar estructuras llamadas tejidos. Diferentes tejidos se combinan para formar órganos.
Un grupo de órganos unidos en una función se llaman aparatos o sistemas. Los organismos
multicelulares suelen tener varios aparatos o sistemas.
Los niveles de organización van mucho más allá de los organismos individuales. En un espacio
cualquiera, un grupo de organismos del mismo tipo, de la misma especie, constituye una
población. Todos los organismos con características morfológicas, fisiológicas y genéticas
similares que son capaces de reproducirse entre sí y dejar descendencia constituyen una
especie. Un conjunto de poblaciones de diferentes especies que interactúan forman una
comunidad. Una comunidad más el medio abiótico en que se encuentra constituyen un
ecosistema. Por último, la superficie terrestre completa y los seres vivos que moran en ella
forman la biosfera.
Se puede decir que como la investigación biológica ocurre en tantos niveles, la biología es la ciencia
más diversa de todas.
Los principios científicos fundamentan toda investigación científica.
Ciencia: la actividad organizada y sistemática de reunir conocimientos sobre el mundo y
condensarlos en leyes y principios que pueden ser sometidos a prueba. La investigación
científica se basa en un conjunto pequeño de premisas. Aunque nunca es posibles demostrar
por completo la validez de estas premisas, están tan demostradas y validadas que podemos
llamarlas principios científicos. Estos principios son: causalidad natural, uniformidad de
espacio y tiempo, y percepción común.
➢ La causalidad natural es el principio de que el origen de todo lo que sucede tiene
causas naturales. Existen dos enfoques en el estudio de la vida y otros fenómenos
naturales. El primero supone que algunos sucesos ocurren por intervención de fuerzas
sobrenaturales que superan nuestro entendimiento. La ciencia, en cambio, se apega al
segundo enfoque, el principio de la causalidad natural. Éste establece que todos los
sucesos tienen su origen en causas naturales que tenemos la capacidad potencial de
comprender. El principio de la causalidad natural tiene un corolario importante: las
pruebas reunidas no están distorsionadas deliberadamente para engañar. Este
corolario podría parecer obvio, pero algunas personas han argumentado que los
fósiles no son evidencia de la evolución, sino que fueron puestos en la Tierra por Dios,
para probar nuestra fe.
➢ Las leyes de la naturaleza se aplican en todo tiempo y lugar. El segundo principio
fundamental de la ciencia es que las leyes de la naturaleza, que se derivan del estudio
del medio natural, son uniformes en el espacio y el tiempo. El principio de la
uniformidad del tiempo y el espacio es de especial relieve para la biología, porque
muchos sucesos biológicos importantes, como la evolución de la diversidad actual de
los seres vivos, se produjeron antes de que hubiera seres humanos que los observaran.
➢ La investigación científica se basa en la premisa de que los seres humanos
percibimos los sucesos naturales de manera similar. La tercera premisa básica es que,
las personas somos capaces de percibir y medir los sucesos y que estas percepciones y
mediciones suministran información confiable y objetiva sobre el mundo natural.
El método científico es la base de la investigación científica.
¿Cómo estudian los biólogos el funcionamiento de la vida? La investigación científica es un
método riguroso para hacer observaciones de fenómenos específicos y buscar el orden en el
que se basan dichos fenómenos. La biología y las demás ciencias aplican el método científico,
que consta de seis elementos relacionados: observación, pregunta, hipótesis, predicción,
experimentación y conclusión. Toda investigación científica comienza con la observación de
un fenómeno. Dicha observación lleva a una pregunta: ¿cómo ocurrió esto? Luego de un
intenso razonamiento se formula una hipótesis. Una hipótesis es una suposición basada en
observaciones anteriores, que se ofrece como posible respuesta a una pregunta y como
explicación natural del fenómeno observado. Para que sea útil, la hipótesis debe llevar a una
predicción, expresada por lo general en un enunciado condicional (“si…entonces…”). La
predicción se somete a prueba mediante manipulaciones cuidadosamente controladas
llamadas experimentos. Los experimentos producen resultados que, al analizarlos, sostienen o
refutan la hipótesis, con lo que el investigador puede llegar a una conclusión sobre la validez
de ésta.
Los experimentos simples, por lo menos aquellos de las ciencias de la vida, ponen a prueba la
afirmación de que un factor único (una variable) es la causa de una observación en particular.
Para ser válido desde el punto de vista científico, el experimento debe descartar otras posibles
variables como la causa de la observación. Por eso los biólogos incluyen controles en sus
experimentos. Las situaciones de control, en las que todas las variables que no se prueban se
mantienen constantes, se comparan con la situación experimental en la que sólo se modifica la
variable que se prueba.
El método científico es potente, pero es importante entender sus limitaciones. En particular,
los científicos casi nunca están seguros de haber controlado todas las posibles variables o de
haber hecho todas las posibles observaciones que sustentan una hipótesis dada. Por lo tanto,
las conclusiones científicas deben permanecer sujetas a revisión si así lo exigen nuevos
experimentos u observaciones.
EJEMPLO:
Observación: Las moscas pululan en la carne dejada a la intemperie. Aparecen gusanos en la
carne.
Pregunta: ¿De dónde salen los gusanos en la carne?
Hipótesis: Las moscas producen los gusanos.
Predicción: Si la hipótesis es correcta, entonces apartar las moscas de la carne evitará que
aparezcan gusanos.
Experimento: 1° Se obtienen trozos iguales de carne y dos frascos idénticos; 2° Se coloca la
carne en cada frasco; 3° Se deja un frasco destapado y el otro se cubre con gasa: Variable
experimental
→ la gasa impide que las moscas entren; 4° Uno de los frascos de deja expuesto
varios días y el otro se deja cubierto varios días: Variables controlables
→ tiempo,
temperatura, lugar; Resultados: Las moscas pululan y aparecen gusanos (frasco destapado) –
Las moscas no llegan a la carne, no aparecen gusanos (frasco cubierto con gasa)
Conclusión: El experimento valida la hipótesis de que las moscas son el origen de los gusanos y
que no ocurre generación espontánea de éstos.
La comunicación es crucial para la ciencia. Si los experimentos no se comunican a otros
científicos con suficientes detalles, no pueden repetirse para verificar las conclusiones. Sin
verificación, los hallazgos científicos no pueden usarse como base para nuevas hipótesis y más
experimentos. Un aspecto fascinante de la investigación científica es que cuando un científico
llega a una conclusión, ésta suscita de inmediato nuevas preguntas que llevan a otras hipótesis
y más experimentos. La ciencia es la búsqueda interminable del conocimiento.
Las teorías científicas han sido sometidas a pruebas exhaustivas.
Una teoría científica es mucho más general y más confiable que una hipótesis. Lejos de ser una
conjetura informada, una teoría científica en una explicación general de un fenómeno natural
importante, desarrollada mediante numerosas observaciones reproducibles; es más como un
principio o una ley natural. Los científicos llaman “teorías” a los principios fundamentales y no
“hechos”, porque la premisa básica de la investigación científica es que debe emprenderse con
la mente abierta. Si se encuentran pruebas convincentes, la teoría científica debe modificarse.
La ciencia se basa en el razonamiento.
Las teorías científicas surgen por razonamiento inductivo, que es la generalización que resulta
de hacer muchas observaciones que la respalden y ninguna contradictoria. Ej: la teoría celular
surge de la observación de que todos los organismos que poseen los atributos de la vida están
compuestos de una o más células y que nada que no esté compuesto de células comparte
estos atributos.
Una vez planteada una teoría científica, puede usarse para sostener un razonamiento
deductivo. En las ciencias, el razonamiento deductivo es el proceso de elaboración de una
hipótesis sobre cuál será el resultado de una observación o experimento, a partir de una
generalización justificada, como una teoría científica.
Las teorías científicas se formulan de modo que puedan refutarse.
Diferencia importante entre una teoría científica y una convicción basada en la fe es que la
primera puede refutarse, mientras que la afirmación de fe, no. Por esta posibilidad de
refutación es que los científicos se refieren a los preceptos básicos de las ciencias como
“teorías”.
EVOLUCIÓN: LA TEORÍA UNIFICADORA QUE COHESIONA LA BIOLOGÍA
“En la biología nada es lógico si no se contempla a la luz de la evolución”
La evolución, la noción de que los organismos modernos descienden, con modificaciones, de
formas de vida anteriores, explica el origen de la diversidad de la vida y también las notables
semejanzas entre organismos diferentes.
Tres procesos naturales que sustentan la evolución.
La teoría científica de la evolución establece que los organismos modernos descienden, con
modificaciones, de formas de vida anteriores. La fuerza más importante de la evolución es la
selección natural, proceso por el cual organismos con ciertos rasgos que les permiten
enfrentar los rigores de su entorno, se reproducen con mayor éxito que otros que no los
tienen. Los cambios que se producen en la evolución se deben a la acción de la selección
natural sobre las variaciones hereditarias que presentan los organismos de una población y
que ocasionan cambios en las generaciones subsecuentes. La variación en la que actúa la
selección natural es resultado de pequeñas diferencias en la composición genética de los
organismos de esa población.
La evolución es consecuencia de tres hechos naturales: la variabilidad genética entre
organismos de una población debida a diferencias en su ADN, la herencia de esas variaciones
a los descendientes de los organismos que las poseen, y la selección natural, que favorece la
reproducción de los organismos con variaciones que le ayudan a sobrevivir en su entorno.
La variabilidad genética entre organismos es hereditaria.
¿Qué son los genes? La información hereditaria de todas las formas conocidas de vida se
encuentra en una molécula llamada ácido desoxirribonucleico o ADN. El ADN de un organismo
está en los cromosomas de cada célula; es el “mapa” genético de la célula o el “manual de
instrucciones” molecular, una guía para la construcción y funcionamiento del cuerpo. Los
genes son segmentos de ADN. Cada gen dirige la formación de uno de los componentes
moleculares cruciales del organismo. Cuando un organismo se reproduce, pasa una copia de
sus cromosomas con ADN a sus descendientes.
La selección natural tiende a conservar los genes que ayudan al organismo a sobrevivir y
reproducirse.
Los organismos que superan mejor las dificultades de su entorno dejan más descendientes.
Estos descendientes heredan los genes que hicieron tener éxito a sus padres. Así, la selección
natural conserva los genes que ayudan a los organismos a desarrollarse en su medio.
Se llama adaptaciones a las estructuras, procesos fisiológicos o comportamientos que
contribuyen a la supervivencia y a la reproducción en un ambiente particular. Casi todas las
características que admiramos en otras formas de vida, como por ejemplo las alas de los
águilas o los poderosos troncos de las secuoyas, son adaptaciones con las que escapan de sus
depredadores, atrapan presas, captan la luz del sol; hazañas que favorecen su supervivencia y
reproducción. Estas características se conformaron en millones de años de acción de la
selección natural sobre mutaciones aleatorias.
Al paso del tiempo, las relaciones reciprocas del entorno, variación genética y selección
natural, dan por resultado inevitable una evolución, es decir, un cambio en la composición
genética de una población.
Lo que hoy ayuda a un organismo a sobrevivir, mañana puede ser una desventaja. Si cambia el
entorno, la composición genética de los organismos mejor adaptados a su ambiente cambiará
también al paso del tiempo. Cuando nuevas mutaciones aleatorias incrementan la idoneidad
de un organismo en un medio alternado, esas mutaciones se difundirán entre toda la
población. Las poblaciones de una especie que viven en ambientes diferentes están sometidas
a tipos distintos de selección natural. Si las diferencias son significativas y se prolongan lo
suficiente, es posible que con el tiempo hagan que las poblaciones sean tan distintas unas de
otras que no se puedan cruzar: evolucionó una especie nueva. Si pese a todo no se producen
mutaciones favorables, un cambio en el ambiente puede condenar a una especie a la
extinción.
CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS
BIOLOGÍA → BIO = VIDA – LOGIA = ESTUDIO
¿Qué es la vida con exactitud? La vida surge como resultado de interacciones ordenadas e
increíblemente complejas entre moléculas que no están vivas; la vida es una cualidad
intangible que se resiste a las definiciones simples.
Los seres vivos comparten ciertas características que, tomadas en conjunto, no se encuentran
en las cosas inertes. Las características de los seres vivos son:
• Los seres vivos están compuestos de células con estructura compleja y organizada.
• Los seres vivos mantienen su estructura compleja y su ambiente interno estable; este
proceso se denomina homeostasis.
• Los seres vivos responden a los estímulos de su ambiente.
• Los seres vivos adquieren y aprovechan materiales y energía de su ambiente y los
convierten en otras formas.
• Los seres vivos crecen.
• Los seres vivos se reproducen siguiendo el mapa molecular del ADN.
• Los seres vivos, en conjunto, tienen la capacidad de evolucionar.
Los seres vivos son complejos, están organizados y se componen de células.
Los investigadores de comienzos del siglo XIX, al observar seres vivos con los primeros
microscopios, concibieron la teoría celular, que establece que la célula es la unidad básica de
la vida. Todas las células contienen genes, las unidades de la herencia que suministran la
información necesaria para controlar la vida de la célula. Las células contienen también
organelos, especializados en cumplir funciones específicas como mover a la célula, obtener
energía o sintetizar moléculas grandes. Las células siempre están rodeadas de una delgada
membrana plasmática que encierra al citoplasma y que separa a la célula del medio exterior.
El Cuerpo está compuesto por muchas células especializadas y muy bien organizadas que
cumplen funciones específicas.
Los seres vivos mantienen relativamente constantes sus condiciones internas mediante la
homeostasis.
No es fácil mantener estructuras organizadas y complejas. La organización tiende a disolverse
en el caos si no se aplica energía para sostenerla. Para conservar la vida y funcionar, los
organismos deben mantener razonablemente constantes sus condiciones internas; en otras
palabras, deben conservar la homeostasis (deriva de dos palabras griegas que significan
“mantenerse igual”). Ej: los organismos deben regular con precisión la cantidad de agua y sales
dentro de las células. Sus cuerpos también deben mantener temperaturas apropiadas para
que ocurran las funciones biológicas. La homeostasis se mantiene por medio de varios
mecanismos.
Desde luego, no todo se mantiene igual durante la vida de un organismo, sino que se producen
cambios importantes, como el crecimiento y la reproducción. Pero no son fallas de la
homeostasis, son partes específicas y programadas genéticamente del ciclo de vida de los
organismos.
Los seres vivos responden a los estímulos.
Para vivir, reproducirse y conservar la homeostasis, los organismos deben percibir y responder
a los estímulos del medio interno y el externo. Los animales han adquirido por evolución
órganos sensoriales y sistemas musculares para detectar y responder a luces, sonidos, tacto,
compuestos químicos y muchos otros estímulos del ambiente. Los estímulos internos son
percibidos por receptores de estiramiento, temperatura, dolor y diversos compuestos
químicos.
Los seres vivos adquieren y usan materiales y energía.
Los organismos necesitan materiales y energía para mantener su nivel de complejidad y
organización, para crecer, mantener la homeostasis y reproducirse. Los organismos adquieren
los materiales que necesitan, llamados nutrimentos, del aire, el agua, el suelo o de otros seres
vivos. Los nutrimentos son minerales, oxigeno, agua y todas las demás sustancias químicas que
conforman las moléculas biológicas. Estos nutrimentos se obtienen del entorno, donde
continuamente se intercambian y reciclan entre los seres vivos y el medio abiótico.
Para sostener la vida, los organismos deben obtener energía, que es la capacidad de realizar
un trabajo, por ejemplo, efectuar reacciones químicas, producir hojas en la primavera o
contraer músculos. En última instancia, la energía que sostiene prácticamente toda la vida
procede de la luz del Sol.
Los seres vivos crecen.
En algún momento del ciclo de vida, todo organismo se hace más grande; crece. El crecimiento
comprende la conversión de las materias adquiridas del ambiente en moléculas específicas del
cuerpo del organismo.
Los seres vivos se reproducen.
Los organismos se reproducen, tienen descendientes de su mismo tipo y permiten la
continuidad de la vida. Las maneras en que ocurre la reproducción varían, pero el resultado es
el mismo: la perpetuación de los genes de los padres.
Los seres vivos, en conjunto, poseen la capacidad de evolucionar.
Las poblaciones de individuos evolucionan en respuesta a los cambios del ambiente. Aunque la
composición genética de un único organismo es básicamente la misma a lo largo de su vida, la
de una población cambia con el tiempo por obra de la selección natural.
¿CÓMO CLASIFICAN LOS CIENTÍFICOS LA DIVERSIDAD DE LA VIDA?
Todos los seres vivos comparten las características antes mencionadas, pero la evolución ha
producido una variedad sorprendente de formas de vida. Los científicos clasifican a los
organismos en tres grandes grupos o dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. Esta clasificación
expresa diferencias fundamentales entre las células que los componen. Los miembros del
dominio Bacteria y Archaea constan de células simples y únicas. Los sistemáticos (científicos
que clasifican los organismos por sus relaciones evolutivas) no se han puesto de acuerdo sobre
cómo distinguir a los reinos de esos dos dominios, en parte porque las células de los
organismos de cada dominio son muy simples y tienen mucho en común. Los miembros del
dominio Eukarya están compuestos por una o más células complejas. Este dominio tiene tres
grandes divisiones o reinos: Fungi (hongos), Plantae (plantas) y Animalia (animales), así como
un conjunto diverso de organismos casi todos unicelulares llamados Protistas.
Dentro de los reinos, las categorías son filum, clase, orden, familia, género y especie. Estos
agrupamientos forman una jerarquía en la que cada categoría abarca a todas las inferiores. En
la última categoría, la especie, los miembros son tan parecidos que pueden cruzarse. Los
biólogos se valen de un sistema binominal (dos nombres). A cada tipo de organismo se le
asigna un nombre científico de dos partes: género y especie.
Hay excepciones a todo conjunto simple de criterios usados para caracterizar los dominios y
reinos, pero tres características son particularmente útiles: tipo de célula, cantidad de células
en cada organismo y forma de adquirir la energía.
Los dominios Bacteria y Archaea están compuestos por células procariontes; el dominio
Eukarya está compuesto por células eucariontes.
Hay dos tipos de células esencialmente distintas: procariontes y eucariontes. La terminación
carionte se refiere al núcleo de la célula, un saco envuelto por una membrana que contiene el
material genético celular. Pro significa “antes” en griego. Es casi seguro que las células
procariontes hayan evolucionado antes que las eucariontes, es casi seguro que las eucariontes
evolucionaron a partir de las procariontes. Las células procariontes no tienen núcleo, sino que
su material genético está en el citoplasma. En general son pequeñas y carecen de organelos
delimitados por membranas. Los dominios Bacteria y Archaea constan de células procariontes.
En cambio, las células de Eukarya, como lo dice su nombre, son eucariontes. Eu significa
“verdadero” delimitado por una membrana. En general, las células eucariontes son más
grandes que las procariontes y contienen otros y diversos organelos.
Los organismos de los dominios Bacteria y Archaea son unicelulares. Casi todos los
organismos de los reinos Fungi, Plantae y Animalia son multicelulares.
Todos los organismos de los dominios Bacteria y Archaea están formados de una sola célula,
son unicelulares, aunque algunos viven en cadenas o aglomeraciones de células con poca
comunicación, cooperación u organización entre ellos. La mayoría de los miembros de los
reinos Fungi, Plantae y Animalia están formados de muchas células, son multicelulares; su vida
depende de la comunicación y cooperación intima de numerosas células especializadas.
Los organismos de los diferentes reinos tienen maneras distintas de obtener energía.
Los organismos fotosintéticos (arqueas, bacterias, protistas y casi todas las plantas) son
autótrofos, es decir, se alimentan ellos mismo. Los organismos que no pueden hacer
fotosíntesis (hongos, animales) son heterótrofos, es decir, que se alimentan de otros. Algunos
heterótrofos, como las arqueas, las bacterias y hongos, absorben moléculas alimenticias
individuales del exterior; otros, como la mayoría de los animales, ingieren trozos de alimentos
que descomponen en moléculas dentro de su tracto digestivo.
La fisiología es el estudio del funcionamiento normal de un organismo vivo y las partes que lo
componen, incluidos todos sus procesos químicos y físicos. La palabra fisiología significa
“conocimiento de la naturaleza”. Aristóteles utilizó el término en este sentido amplio para
describir el funcionamiento de todos los organismos vivos, y no solamente el del cuerpo
humano. Hipócrates, padre de la medicina, usaba el término fisiología con el significado de “el
poder curativo de la naturaleza”, y a partir de aquí la disciplina se asoció más estrechamente
con la medicina. Durante el siglo XVI, en Europa, la fisiología se había establecido formalmente
como el estudio de las funciones vitales del cuerpo humano. En la actualidad, el término se usa
nuevamente para referirse al estudio de los animales y plantas.
LA FISIOLOGÍA ES UNA CIENCIA INTEGRADORA
Muchos sistemas complejos, incluidos los del cuerpo humano, poseen propiedades
emergentes, que son propiedades cuya existencia no puede predecirse basándose solamente
en el conocimiento de sus componentes individuales. Una propiedad emergente no es una
propiedad de un solo componente del sistema, y es mayor que la simple suma de sus partes
individuales. Ejemplo: entre las propiedades emergentes más complejas en los seres humanos
se encuentran las emociones, la inteligencia y otros aspectos de las funciones cerebrales,
ninguna de las cuales puede predecirse a partir del conocimiento de las propiedades
individuales de las células nerviosas. La fisiología se enfoca en especial en la integración de las
funciones a través de varios niveles de organización.
Muestra los niveles de organización y las diferentes subdisciplinas de la química y de la biología
relacionadas con el estudio de cada nivel de organización. Existe una superposición importante
entre los distintos campos de estudio, y cabe señalar que la fisiología comprende muchos
niveles de organización, desde la biología molecular y celular hasta la fisiología ecológica de las
poblaciones.
Los átomos de los elementos se unen para formar moléculas. Las células son conjuntos de
moléculas de los organismos vivos. La célula es la unidad estructural más pequeña capaz de
llevar adelante todos los procesos vitales. La membrana celular o plasmática, es una barrera de
lípidos y proteínas que separa las células de su entorno. Los organismos simples están
formados por una sola célula, pero los complejos tienen muchas de ellas, con especializaciones
estructurales y funcionales diferentes. Los grupos de células que llevan a cabo funciones
relacionadas se conocen como tejidos. Los tejidos forman unidades funcionales y estructurales
llamadas órganos, y los grupos de órganos integran sus funciones para crear sistemas.
Los diez aparatos del cuerpo humano son:
• Aparato tegumentario; constituido por la piel, forma un límite protector que separa al
medio interno del cuerpo del medio externo.
• Aparato locomotor; proporciona soporte y movimiento corporal.
• Aparato respiratorio; intercambia gases.
• Aparato digestivo; toma nutrientes y agua y elimina desechos.
• Aparato urinario; elimina el exceso de agua y sustancias de desecho.
• Aparato reproductor; produce óvulos y espermatozoides.
• Aparato circulatorio; distribuye las sustancias bombeando la sangre por los vasos.
• Aparato nervioso y endocrino; coordinan las funciones orgánicas.
• Aparato inmunitario; defensa contra invasores externos.
FUNCIÓN Y MECANISMO
La función de un sistema o acontecimiento fisiológico es el “porqué” de ese sistema o
acontecimiento. El enfoque teleológico aplicado a la ciencia consiste en considerar un
acontecimiento fisiológico de acuerdo con su importancia adaptativa. Ejemplo: la respuesta
teleológica de por qué los glóbulos rojos transportan oxigeno es “porque las células necesitan
oxígeno, y los glóbulos rojos lo llevan hasta ellas”. Esta respuesta explica la razón por la cual
los eritrocitos transportan oxígeno (su función) pero no dice nada sobre cómo lo hacen.
Por el contrario, la mayoría de los fisiólogos estudia los procesos fisiológicos o mecanismos: el
“cómo” de un sistema. El enfoque mecanicista de la fisiología examina los procesos. La
respuesta mecanicista a la pregunta: “¿Cómo transportan oxígeno los glóbulos rojos?” es: “El
oxígeno se une a las moléculas de hemoglobina que están presentes en los glóbulos rojos”.
TEMAS DE FISIOLOGÍA- (relación entre biología y fisiología)
TEMA 1: la estructura y la función están íntimamente relacionadas.
La integración de la estructura y la función se extiende a través de todos los niveles de
organización. Este tema se subdivide en dos ideas principales: interacción molecular y
compartimentación.
• Interacción molecular: la capacidad de las moléculas individuales de unirse o
reaccionar con otras moléculas es esencial para las funciones biológicas. La función de
una molécula depende de su estructura y forma, y aún un cambio pequeño en estos
aspectos puede tener efectos importantes sobre la función. Muchas de las
interacciones moleculares de importancia fisiológica se relacionan con la clase de
moléculas biológicas denominadas proteínas. Los grupos funcionales de proteínas
incluyen las enzimas que aceleran las reacciones químicas, las moléculas de
señalización y las proteínas receptoras que unen las moléculas de señalización y las
proteínas especializadas que funcionan como transportadores biológicos. Las
interacciones entre las proteínas, el agua y otras moléculas influyen sobre la estructura
celular y las propiedades mecánicas de las células y los tejidos. Las propiedades
mecánicas que se encuentran en el estudio de la fisiología incluyen la adaptabilidad, la
elasticidad, la resistencia, la flexibilidad y la fluidez.
• Compartimentación: la compartimentación es la división del espacio en
compartimentos separados. Los compartimentos permiten a la célula, el tejido o el
órgano especializarse y aislar funciones. Cada nivel de organización se asocia con
diferentes tipos de compartimentos.
TEMA 2: los organismos vivos necesitan energía.
El crecimiento, la reproducción, el movimiento, la homeostasis: estos y todos los demás
procesos que tienen lugar en un organismo requieren el continuo aporte de energía.
TEMA 3: el flujo de información coordina las funciones del cuerpo.
El flujo de información en los sistemas vivos varía desde la transferencia de la información
almacenada en el ADN de una generación a otra hasta el flujo de información dentro del
cuerpo de un solo organismo. A nivel de organismo, el flujo de información incluye la
traducción del código genético en proteínas que son responsables de la estructura y la función
celular, así como de las numerosas formas de comunicación intercelular que coordinan el
funcionamiento de un organismo complejo. En el organismo humano, el flujo de información
entre células se lleva a cabo bajo la forma de señales químicas o de señales eléctricas.
TEMA 4: la homeostasis mantiene la estabilidad interna.
Los organismos que sobreviven en ambientes hostiles soportan la variabilidad externa
manteniendo su medio interno relativamente estable, una habilidad conocida como
homeostasis. (Homeo = similar + stasis = condición). La homeostasis y la regulación del medio
interno son principios claves de la fisiología.
HOMEOSTASIS
Homeostasis: la regulación del medio interno del organismo. “La homeostasis es un estado en
el que se mantiene “una condición similar”.
El concepto importante para recordar es que el organismo controla su estado interno y actúa
corrigiendo las alteraciones que atentan contra su función normal. Si el organismo no logra
mantener la homeostasis, la función normal se interrumpe, y pueden aparecer como resultado
un estado de enfermedad o patológico. Las enfermedades pueden dividirse en dos grupos
generales de acuerdo con su origen: aquellas en las cuales el problema surge del fallo interno
de algún proceso fisiológico y aquellas que tienen origen en una fuente externa.
Tanto en las enfermedades causadas por factores internos como en las causadas por factores
externos, cuando se interrumpe la homeostasis, el organismo intenta compensarlo. Si la
compensación tiene éxito, la homeostasis se restablece. Si la compensación falla puede
aparecer la enfermedad.
¿Cuál es el medio interno del cuerpo?
“Constancia del medio interno”: mantener el medio interno estable significa equilibrar la
pérdida de agua con el consumo adecuado de ella.
¿Qué es el medio interno del organismo? Para los animales multicelulares, es el medio interno
acuoso que rodea las células, un “mar interior” del cuerpo denominado líquido extracelular. El
líquido extracelular sirve como transición entre el medio externo del organismo y el líquido
intracelular del interior de las células.
Cuando la composición del líquido extracelular se aleja de su rango de valores normales se
activan mecanismos compensatorios que lo llevan a su estado normal; por ejemplo, cuando
bebemos un gran volumen de agua, la dilución del líquido extracelular dispara un mecanismo
que hace que los riñones eliminen el exceso de agua y protejan las células de la inflamación.
La homeostasis depende del equilibrio de masas. El cuerpo humano es un sistema abierto que
intercambia calor y energía con el medio externo. Para mantener la homeostasis, el cuerpo
debe mantener el equilibrio de masas. La ley de equilibrio de masas establece que, para que la
cantidad de una sustancia del organismo se mantenga constante, toda ganancia debe ser
compensada por una perdida igual. La cantidad de una sustancia del organismo también se
denomina carga del organismo.
Para mantener el equilibrio de masas, el organismo tiene dos opciones; excretar la materia: la
excreción se define como la eliminación de sustancias del cuerpo. La segunda opción es
convertir la sustancia en otra diferente, por medio del metabolismo: los nutrientes que
ingresan en el organismo se convierten en el punto de partida para las vías que transforman el
nutriente original en una molécula diferente.
Los científicos usan el flujo de masas para hacer un seguimiento de las sustancias a través del
organismo. Se aplica tanto al ingreso, la producción y la eliminación de sustancias como al
movimiento de sustancias de un compartimento del organismo a otro.
SISTEMAS DE CONTROL Y HOMEOSTASIS
Existen dos patrones básicos de mecanismos de control: el control local y el control reflejo a
larga distancia. Todos los sistemas de control tienen tres componentes: (1) una señal de
entrada; (2) un controlador o centro integrador que integra la información que ingresa e inicia
una respuesta adecuada; y (3) una señal de salida que crea una respuesta. Los sistemas de
control reflejos a larga distancia son más complejos que este modelo simple, ya que pueden
incluir señales de entrada de diferente origen y producir señales de salida que actúan sobre
múltiples objetivos.
Señal de entrada→ centro de integración→ señal de salida→ respuesta
La forma de control más simple es el control local, que está restringido a tejidos o células
determinados. En el control local, un cambio relativamente aislado ocurre en un tejido. Una
célula o un grupo de células cercanas perciben el cambio en su entorno inmediato y
responden, por lo general, liberando una sustancia química. La respuesta está restringida a la
región donde ocurrió el cambio, de ahí el término control local.
El control reflejo utiliza señales a larga distancia. Los cambios que se extienden a todo el
organismo, o de naturaleza sistemática, requieren sistemas de control más complejos para
mantener la homeostasis; control reflejo: la vía de larga distancia que usan el sistema nervioso
y el endócrino.
Un reflejo fisiológico puede dividirse en dos partes: un bucle de respuesta y un bucle de
retroalimentación. Un bucle de respuesta tiene tres componentes principales: una señal de
entrada, un centro de integración para integrar la señal y una señal de salida. Estos tres
componentes pueden expandirse en la siguiente secuencia de siete pasos para formar un
patrón que se encuentra en todas las vías reflejas con leves variaciones:
Estímulo→ sensor → señal de entrada→ centro de integración→ señal de salida→ objetivo→
respuesta
El inicio del bucle de respuesta comienza con un estímulo (cambio que ocurre cuando la
variable regulada se desplaza fuera del rango deseable). Un sensor especializado controla la
variable. Si el sensor es activado por el estímulo, envía una señal de entrada al centro de
integración. El centro de integración evalúa la información que proviene del sensor e inicia una
señal de salida. La señal de salida se dirige a un objetivo para producir una respuesta. Si tiene
éxito, la respuesta hace retornar la variable regulada al rango deseado.
Ejemplo de un acuario: (1) La temperatura del agua está por debajo del valor fijado
(ESTÍMULO); (2) El termómetro detecta la disminución de la temperatura (SENSOR); (3) La
señal pasa del sensor a la caja de control a través del cable (SEÑAL DE ENTRADA); (4) La caja
de control se programa para que responda a una temperatura menor de 29°C (CENTRO
INTEGRADOR); (5) La señal pasa por un cable hasta el calentador (SEÑAL DE SALIDA); (6) El
calentador se enciende (OBJETIVO); (7) La temperatura del agua sube (RESPUESTA).
Bucle de retroalimentación: en el que la respuesta se “retroalimenta” para influir sobre el
segmento de salida de la vía.
Para la mayoría de los reflejos, los bucles de retroalimentación son homeostáticos, es decir,
diseñados para mantener el sistema en un valor de referencia, o cerca de este, a fin de que la
variable regulada sea relativamente estable. La medida en que un centro de integración logra
mantener la estabilidad depende de la sensibilidad del sistema.
Una vía en la que la respuesta se opone a la señal o la elimina se denomina retroalimentación
negativa. Los bucles de retroalimentación negativa estabilizan la variable regulada, ayudando
así al sistema para mantener la homeostasis. Con la pérdida del estímulo para la vía, el bucle
de respuesta se apaga. Los bucles de retroalimentación negativa pueden restaurar el estado
normal pero no pueden impedir la alteración inicial.
Los bucles de retroalimentación positiva no son homeostáticos. Algunas vías reflejas no son
homeostáticas. En un bucle de retroalimentación positiva, la respuesta refuerza el estímulo
en lugar de disminuirlo o eliminarlo. En la retroalimentación positiva, la respuesta eleva la
variable regulada aún más allá de su valor normal. Esto inicia un círculo vicioso de respuesta
cada vez mayor y hace que el sistema esté temporalmente fuera de control. Como la
retroalimentación positiva escala la respuesta, este tipo de alimentación requiere cierta
intervención o evento fuera del bucle para detener la respuesta.
TRES TEMAS BÁSICOS DE LA BIOLOGÍA
EVOLUCIÓN: las diversas formas de vida en este planeta están relacionadas entre sí y las
poblaciones han evolucionado, es decir, han cambiado con el tiempo, a partir de las primeras
formas de vida. El proceso de evolución es el marco para la ciencia de la biología.
TRANSFERENCIA O FLUJO DE INFORMACIÓN: la información se debe transmitir dentro y entre
los organismos, y éstos deben poder recibir información de su entorno. La supervivencia y la
función de cada célula y cada organismo dependen de la transmisión ordenada de la
información. La evolución depende de la transmisión de la información genética de una
generación a otra.
TRANSFERENCIA O FLUJO DE ENERGÍA: todos los procesos de la vida, requieren de un aporte
continuo de energía. La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos proviene de la
luz solar.
La evolución, la transferencia de información y la transferencia de energía son las fuerzas que
dan características únicas a la vida.
CARACTERISTICAS DE LA VIDA
Los organismos están compuestos por células. Aunque varían mucho en tamaño y apariencia,
todos los organismos consisten de unidades básicas llamadas células. Algunas de las formas
más simples de vida, son organismos unicelulares, lo que significa que cada uno consta de una
sola célula. Por el contrario, el cuerpo de un perro por ejemplo, está formado por miles de
millones de células. En este tipo de organismos multicelulares complejos, los procesos de la
vida dependen de las funciones coordinadas de sus componentes celulares que pueden estar
organizadas en forma de tejidos, órganos y sistemas de órganos.
Cada célula está envuelta por una membrana plasmática que la protege y separa del medio
ambiente externo. La membrana plasmática regula el paso de materiales entre la célula y su
entorno. Las células tienen moléculas especializadas que contienen instrucciones genéticas y
transmiten información genética. Las instrucciones genéticas están codificadas en el ácido
desoxirribonucleico, conocido como ADN. Las células normalmente tienen estructuras internas
llamadas orgánulos u organelos que están especializados para realizar funciones específicas.
Hay dos tipos de células: procariotas y eucariotas. Las células procariotas son exclusivas de las
bacterias y organismos microscópicos llamados arqueas. Todos los otros organismos se
caracterizan por sus células eucariotas. Estas células contienen diversos orgánulos delimitados
por membranas, incluyendo un núcleo que alberga el ADN. Las células procariotas son
estructuralmente más simples, no tienen un núcleo ni otros orgánulos delimitados por
membranas.
Los organismos crecen y se desarrollan. El crecimiento biológico implica un aumento en el
tamaño de las células individuales de un organismo, en el número de células, o en ambos. El
crecimiento puede ser uniforme en las diversas partes del organismo, o puede ser mayor en
algunas partes que en otras, haciendo que las proporciones del cuerpo cambien a medida que
se produce el crecimiento. Un aspecto interesante del proceso de crecimiento es que cada
parte del organismo sigue funcionando normalmente a medida que crece.
El desarrollo incluye todos los cambios que tienen lugar durante la vida de los organismos. Al
igual que muchos otros organismos, cada ser humano comienza su vida como un huevo
fertilizado, que crece y se desarrolla. Las estructuras y la forma del cuerpo que se desarrollan
están delicadamente adaptadas a las funciones que el organismo debe realizar.
Los organismos regulan sus procesos metabólicos. Dentro de todos los organismos, se
realizan reacciones químicas y transformaciones de energía que son esenciales para la
nutrición, el crecimiento y la reparación de células, y la conversión de energía en formas útiles:
metabolismo. Los procesos metabólicos ocurren de manera continua en todos los organismos,
y deben ser cuidadosamente regulados para mantener la homeostasis, un ambiente interno
adecuado y equilibrado. Cuando se ha elaborado una cantidad suficiente de un producto
celular, se debe disminuir o suspender su producción. Cuando se requiere una sustancia en
particular, se deben activar los procesos celulares que la producen. Estos mecanismos
homeostáticos son sistemas de control de autorregulación que son muy sensibles y eficientes.
Los organismos responden a estímulos. Todas las formas de vida responden a estímulos, a los
cambios físicos o químicos en su ambiente interno o externo. Los estímulos que provocan una
respuesta en la mayoría de los organismos son los cambios en el color, intensidad o dirección
de la luz, cambios de temperatura, presión, o el sonido, y cambios en la composición química
del suelo, aire o del agua circundante. Responder a estímulos implica movimiento, aunque no
siempre locomoción.
Los organismos se reproducen. Los organismos simples se perpetúan por reproducción
asexual. Ej: cuando una ameba ha crecido hasta un tamaño determinado, se reproduce
dividiéndose a la mitad para formar dos nuevas amebas. Antes de que se divida la ameba, su
material hereditario se duplica, y un conjunto completo se distribuye en cada nueva célula.
En la mayoría de las plantas y animales, la reproducción sexual se lleva a cabo por la fusión de
un óvulo y un espermatozoide para formar un óvulo fecundado. Los descendientes producidos
por reproducción sexual son el resultado de la interacción de varios genes aportados por la
madre y el padre. Esta variación genética es importante en los procesos vitales de la evolución
y la adaptación.
Las poblaciones evolucionan y se adaptan al medio ambiente. La capacidad de una población
para evolucionar durante muchas generaciones y adaptarse a su entorno les permite sobrevivir
en un mundo cambiante. Las adaptaciones son características que se heredan y que aumentan
la capacidad de un organismo para sobrevivir en un entorno particular. Las adaptaciones
pueden ser estructurales, fisiológicas, bioquímicas, de comportamiento, o una combinación de
las cuatro.
NIVELES DE ORGANIZACIÓN
Jerarquía de organización biológica, que incluye los niveles característicos de los organismos
individuales y los niveles característicos de sistemas ecológicos. En cualquier nivel, la
estructura y la función están estrechamente relacionados. Una forma de estudiar un nivel en
particular es observando sus componentes. Los biólogos pueden ampliar su punto de vista
sobre las células con el estudio de los átomos y las moléculas que la componen. Al aprendizaje
sobre una estructura mediante el estudio de sus partes se le llama reduccionismo. Cada nivel
tiene propiedades emergentes, características que no se encuentran en los niveles inferiores.
Ej: el cerebro está compuesto de millones de neuronas (células nerviosas). Sin embargo, se
podrían estudiar todas estas neuronas individuales y no tener idea de las capacidades
funcionales del cerebro. Solo cuando las neuronas se conectan entre sí de manera precisa se
hacen evidentes las propiedades emergentes, tales como la capacidad de pensar, hacer juicios.
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