Biología by César Hinojosa

Educaci贸n Media Formaci贸n General

Biolog铆a

Programa de Estudio Tercer A帽o Medio

BiologĂa Ciencias Naturales Programa de Estudio Tercer AĂąo Medio

Biología / Ciencias Naturales Programa de Estudio, Segundo Año Medio, Formación General Educación Media, Unidad de Curriculum y Evaluación ISBN 956-7933-53-7 Registro de Propiedad Intelectual Nº 116.657 Ministerio de Educación, República de Chile Alameda 1371, Santiago www.mineduc.cl Primera Edición 2000 Segunda Edición 2004

Santiago, octubre de 2000

Estimados profesores: EL PRESENTE PROGRAMA DE ESTUDIO de Tercer Año Medio de la Formación General ha sido elaborado por la Unidad de Curriculum y Evaluación del Ministerio de Educación y aprobado por el Consejo Superior de Educación, para ser puesto en práctica, por los establecimientos que elijan aplicarlo, en el año escolar del 2001. En sus objetivos, contenidos y actividades busca responder a un doble propósito: articular a lo largo del año una experiencia de aprendizaje acorde con las definiciones del marco curricular de Objetivos Fundamentales y Contenidos Mínimos Obligatorios de la Educación Media, definido en el Decreto Nº220, de mayo de 1998, y ofrecer la mejor herramienta de apoyo a la profesora o profesor que hará posible su puesta en práctica. Los nuevos programas para Tercero Año Medio de la Formación General plantean objetivos de aprendizaje de mayor nivel que los del pasado, porque la vida futura, tanto a nivel de las personas como del país, establece mayores requerimientos formativos. A la vez, ofrecen descripciones detalladas de los caminos pedagógicos para llegar a estas metas más altas. Así, al igual que en el caso de los programas del nivel precedente, los correspondientes al Tercer Año Medio incluyen numerosas actividades y ejemplos de trabajo con alumnos y alumnas, consistentes en experiencias concretas, realizables e íntimamente ligadas al logro de los aprendizajes esperados. Su multiplicidad busca enriquecer y abrir posibilidades, no recargar ni rigidizar; en múltiples puntos requieren que la profesora o el profesor discierna y opte por lo que es más adecuado al contexto, momento y características de sus alumnos y alumnas. Los nuevos programas son una invitación a los docentes de Tercer Año Medio para ejecutar una nueva obra, que sin su concurso no es realizable. Estos programas demandan cambios importantes en las prácticas docentes. Ello constituye un desafío grande, de preparación y estudio, de fe en la vocación formadora, y de rigor en la gradual puesta en práctica de lo nuevo. Lo que importa en el momento inicial es la aceptación del desafío y la confianza en los resultados del trabajo hecho con cariño y profesionalismo.

MARIANA AYLWIN OYARZUN

Ministra de Educación

Tercer Año Medio Biología Ministerio de Educación

Presentación

Objetivos Fundamentales

Unidades, contenidos y distribución temporal

Objetivos Fundamentales Transversales y su presencia en el programa

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento

1. Sistema nervioso: organización y función

2. Impulso nervioso

3. Sinapsis y neurotransmisores

4. Vías aferentes y eferentes

Evaluación Unidad 1

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis

1. Homeostasis y función renal

2. Regulación neuroendocrina

Evaluación Unidad 2

Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa

1. Drogas y toxicomanía

2. El estrés

Evaluación Unidad 3

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación

1. Variación y evolución

102

2. Adaptación

120

Evaluación Unidad 4

126

Criterios de evaluación

127

Anexo 1: Enseñando ciencia

129

1. Conocer científicamente

131

2. Actitud científica

131

3. Guía para diseñar actividades de indagación científica

133

Anexo 2: Temas de interés

139

1. Estrés y adaptación

141

2. Conociendo cómo actúan las drogas: “los sicofármacos”

143

3. Fundamentos de la droga-dependencia

149

Bibliografía

155

Objetivos Fundamentales y Contenidos Mínimos Obligatorios 1º- 4º Año Medio

157

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Presentación E L TERCER AÑO DE EDUCACIÓN MEDIA está dedicado, por una parte, a examinar los sistemas de control y coordinación que permiten a los organismos más complejos funcionar como un todo autónomo, integrados y acoplados al medio ambiente. Por otra parte, a apreciar el proceso evolutivo que explica la diversidad de los organismos y sus relaciones ancestrales, en una historia de cambios que se remonta al origen mismo de la vida. Las unidades ofrecen variadas oportunidades para estimular el razonamiento de los estudiantes, incitándolos a que hagan inferencias y conjeturas en base a información entregada por el docente junto con la proposición de problemas. También se presta para valorar los avances de la ciencia en medicina, reforzar el valor del conocimiento científico y su metodología. Al igual que en años anteriores, se mantiene la intención de desarrollar una actitud científica y un entendimiento de la naturaleza de la ciencia. Los alumnos y alumnas tendrán mayores oportunidades para comprender el modo de producción de este tipo de conocimiento y sus múltiples relaciones e influencias en la vida cotidiana y cultural. Este año se han seleccionado actividades para que los estudiantes sean especialmente estimulados en los siguientes aspectos: 1) Proponer explicaciones y hacer predicciones basadas en evidencias. 2) Reconocer y analizar explicaciones y predicciones. 3) Entender que las explicaciones científicas están sometidas a cambio a medida que se dispone de otras evidencias. 4) Entender que las explicaciones científicas deben cumplir con ciertos criterios.

Para que los estudiantes aprecien más profundamente que la investigación científica es guiada por una base de conocimiento, observaciones, ideas y preguntas, realizarán actividades con un fuerte componente de razonamiento. Es importante que tengan la experiencia de someter a prueba sus creencias e ideas aplicando conocimiento previo. Durante discusiones guiadas se ilustrará que las explicaciones científicas deben ser consistentes con las evidencias experimentales y con las observaciones acerca de la naturaleza, deben seguir una lógica y estar sujetas a criticismo, y permitir hacer predicciones acerca de los sistemas que se están estudiando. También deben reportar los procedimientos y métodos utilizados para obtener la evidencia. En cambio, apreciarán que las explicaciones acerca del mundo natural que se basan en mitos, creencias personales, valores religiosos, inspiraciones místicas, superstición o autoritarismo pueden ser importantes y útiles en el plano personal y social, pero no son explicaciones científicas. Se mantiene y fortalece este año la práctica de indagar en problemas que conciernen al funcionamiento del organismo y su relación con el ambiente. Consiste en formularse preguntas, razonar lógica y críticamente, comunicar argumentos científicos y planificar y conducir investigaciones enmarcadas en un tema. La indagación a partir de auténticas preguntas originadas desde las experiencias de los estudiantes constituye la estrategia central de enseñanza que propone este programa. Para esto, se entrega información y conceptos sencillos como puntos de inicio para involucrarlos en experiencias de indagación científica ajustadas a las capacidades cognitivas del nivel. El enfoque indagador como método activo de enseñanza

debe combinarse equilibradamente con el tipo de clase lectiva. El propósito es aprender el conocimiento biológico entendiéndolo a partir de observaciones y situaciones experimentales que estimulen un aprendizaje activo e involucren una positiva experiencia del estudiante. El ejercicio de la indagación e investigación mejora la capacidad de tomar decisiones informadas y razonadas en asuntos personales y de orden público, que a menudo requieren conocimientos elementales sobre ciencia y tecnología. Todos los estudiantes deben tener la oportunidad de experimentar positivamente lo que significa aprender y entender algo científicamente, a través del ejercicio guiado y continuado. Es necesario darles posibilidades para discutir sus propias interpretaciones y participar activamente en la interpretación de conceptos y explicaciones con base científica. Deben ser guiados en la adquisición e interpretación de la información y recibir estímulos positivos en todas las etapas de su aprendizaje. Sentir que contribuyen en la formulación de los problemas y en la definición de las etapas y medios posibles para dilucidarlos los llevará a adquirir confianza y certeza de que pueden realizar su propio camino. Aprender a aprender es crucial para continuar leyendo, aprendiendo y estudiando a medida que aparezcan las necesidades y las oportunidades. Se continuará fortaleciendo el uso de internet como herramienta de búsqueda de información y como apoyo a las actividades pedagógicas relacionadas con el Programa.

Organización y lógica del programa

El programa fue estructurado en torno a cuatro unidades, tratadas a través de actividades que entregan información elemental e invitan a desarrollar un aprendizaje activo, involucrando al docente en la motivación de experiencias de in-

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dagación. El nivel de profundidad y los detalles del conocimiento que deben adquirir alumnos y alumnas están expuestos en los Aprendizajes esperados que acompañan a cada unidad y se ilustran con los ejemplos e indicaciones al docente. Los esquemas e ilustraciones muestran también el nivel que debe alcanzarse. Los aspectos que pueden ser tratados como indagación se presentan en base a preguntas y respuestas, administrando claves para las explicaciones, interpretaciones y conclusiones a las que se debe llegar. Las tablas se utilizan para mostrar información, explicar procesos o iniciar actividades de indagación en base a preguntas y explicaciones. En ningún caso deben ser aprendidas de memoria. En todo momento debe privilegiarse que se entiendan los conceptos contenidos en las ilustraciones y las tablas. Para facilitar el tratamiento de temas complejos se han incluido abundantes figuras que sirven de apoyo al docente y también dan una idea de los logros y la profundidad que se pretende alcanzar. La Unidad 1 estudia los fundamentos de la organización y función del sistema nervioso, es decir, cómo éste integra y procesa las señales del medio externo e interno y elabora comportamientos adecuados a la sobrevivencia y reproducción. En base a estos fundamentos, que están centrados en la organización y función de las neuronas, se entrega una idea elemental de la complejidad del funcionamiento del cerebro humano. Se pretende que los estudiantes aprecien que el cerebro está formado por redes de neuronas que conversan entre ellas de manera muy dinámica y siempre cambiante. Entenderán que de esta actividad neuronal surge toda nuestra percepción del mundo externo e interno, la fijación de nuestra atención, el control de la maquinaria motora, y una gran variedad de atributos, tales como la inteligencia, las emociones, el pensamiento, los afectos, el aprendi-

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zaje, el lenguaje y la memoria. Se muestran las nuevas posibilidades de estudio que se pueden lograr con los sistemas actuales de producción de imagen, que permiten observar la actividad neuronal del cerebro humano frente a estímulos del medio y durante los procesos mentales. También se pretende que los estudiantes se formen una idea de la complejidad de los problemas aún no resueltos del funcionamiento del sistema nervioso y su papel en los procesos mentales, y que aprecien que descifrarlos constituye uno de los más grandes desafíos para la ciencia y la humanidad en general. La Unidad 2 estudia la función renal en la regulación del medio interno y el aporte del control hormonal a la coordinación de las funciones corporales, haciendo énfasis en la integración neuroendocrina. Se trata de dar una visión general del significado de la mantención del medio interno acuoso y salino del organismo como uno de los aspectos más relevantes de la homeostasis. Debe apreciarse por qué los riñones permitieron definitivamente el tránsito evolutivo de los vertebrados de la vida acuática a la terrestre. Por otra parte, en esta unidad también se fortalece el concepto de hormona y control endocrino, con ejemplos que muestran especialmente las relaciones con el sistema nervioso en la condición de estrés. Estas dos unidades preparan el camino para entender los problemas que plantea la Unidad 3 sobre el consumo de drogas y el estrés. A través de las actividades que analizan datos nacionales, los estudiantes apreciarán que el consumo de drogas es un problema de salud y social influenciado por diversos factores, muchos de los cuales son susceptibles de modificar en programas de prevención. El tema pertenece a objetivos transversales y debe ser tratado de manera integrada con otras asignaturas. El estrés se presenta en sus aspectos fisiológicos y

patológicos, para dar la oportunidad de entenderlo como una causa frecuente de problemas de salud, que debe enfrentarse con ayuda médica. Finalmente, en la Unidad 4 se tratan dos teorías que han sido centrales en la biología: la teoría de la evolución de los organismos y la teoría de la selección natural como mecanismo de evolución. Se apreciará el enorme impacto y aporte de Darwin a la cultura en general y al entendimiento biológico de la naturaleza de los seres vivos. Se pretende dejar en claro que estas dos teorías constituyen una explicación científica para un sinnúmero de observaciones sobre el registro fósil y sus relaciones con las formas de vida actuales. Es asunto de cultura general saber que no existen evidencias que refuten el origen común y la evolución de los organismos y que, por lo tanto, la evolución se considera actualmente un hecho ampliamente aceptado en el mundo de la ciencia. Los mecanismos de la evolución, pero no la evolución misma, han sido objeto de debate, considerándose que además de la selección natural existe la llamada deriva génica, que puede incorporar mutaciones neutras, sin valor adaptativo. Es necesario que los estudiantes contrasten sus creencias con las evidencias, tanto del registro fósil como las aportadas por la biología molecular, de que los organismos evolucionan y que por lo tanto las especies no son permanentes ni inmutables. Además, se refuerza la noción de que todos los seres vivos se originan de otros seres vivos. Luego, deben distinguir los distintos elementos que entran en juego en el proceso de selección natural y cómo éste, operando sobre las variaciones entre individuos por largos períodos de tiempo, puede llevar a la evolución y aparición de nuevas especies. Se muestra además que la evolución por selección natural es constante, encontrándose evidencias de esto en la continua evolución de los microorganismos patógenos al hombre, por ejemplo en la aparición de nuevas

cepas de bacterias resistentes a los antibióticos. La unidad incluye los cambios evolutivos y geológicos que llevaron a adaptaciones determinantes en la aparición de las formas terrestres de vida y presenta el concepto de adaptación de los organismos a su ambiente como resultado del proceso evolutivo. Algunas actividades se basan en la observación, recolección de datos, reflexión y análisis de eventos y fenómenos que surgen de la experiencia de los alumnos y alumnas. Otras actividades promueven el análisis crítico de fuentes secundarias de información, tales como libros y revistas en la biblioteca. Se han seleccionado actividades de diversos tipos destinadas a desarrollar las habilidades de: a) Informarse, a través de la lectura e interpretación de textos, tablas, gráficos, esquemas, y fotografías. b) Comunicar, realizando tablas, gráficos, esquemas funcionales, presentaciones frente al curso, informes, explicaciones y conclusiones en frases cortas, etc. c) Razonar, estableciendo relaciones entre información nueva y los conocimientos previamente adquiridos, haciendo comparaciones y elaborando conclusiones. También razonan analizando información presentada en diversas formas, identificando, dando forma y entendiendo las preguntas que guían las investigaciones bibliográficas y experimentales, etc. El programa permite movilidad e integración de distintas unidades. Esto es especialmente válido para la unidad de Biología humana y salud, cuyos tópicos pueden ser tratados separadamente, incluyéndolos en las otras unidades según corresponda. Las actividades han sido desglosadas por conveniencia para la exposición del programa y para sugerir un modelo de ordenación, pero pueden fundirse varias de ellas

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en una sola o reordenarse según se estime apropiado didácticamente. Los ejemplos de actividades tampoco son obligatorios, por el contrario, tienen como objetivo proporcionar alternativas que el profesor o la profesora pueden utilizar literalmente, combinarlos o diseñar sus propios ejemplos en base a los presentados. El docente deberá adecuar las actividades a las condiciones locales para el logro de los objetivos, según su criterio. El orden de presentación de los conceptos, contenidos y actividades constituye una propuesta educativa, que también puede ser modificada. Por ejemplo, podrían ajustarse para realizar actividades integradas con otras disciplinas, tales como matemáticas, física o química. También es importante que los ejemplos de actividades sean adaptados a las condiciones, tradiciones y costumbres propias de cada región y comunidad.

Indicaciones y orientaciones didácticas

El programa de Biología es un instrumento de trabajo, de consulta permanente, que emplea un vocabulario simple y riguroso. Su cobertura total requiere una programación cuidadosa y detallada. En este año se ha incluido en las Orientaciones didácticas y en las Indicaciones al docente información de apoyo para la realización tanto de experiencias de indagación con los estudiantes como para la entrega de información y conceptos en clases lectivas. El material que se ha incorporado en estas secciones pretende proporcionar elementos que permitan clases más atractivas y más precisas acerca de temas que son relativamente complejos. Por esto, más que nunca es imperativo una lectura completa y cuidadosa del programa para apropiarse de esta nueva visión de la enseñanza de la biología y aprovechar el material que se entrega en las

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definiciones de los aprendizajes esperados, los ejemplos de actividades, las indicaciones al docente, las tablas, figuras y anexos. Una lectura previa permitirá distinguir la información, apreciar el nivel de profundidad que debe alcanzarse y pensar las estrategias de enseñanza. Esto facilitará el diseño de una planificación que logre cubrir los contenidos y cumplir las intenciones respecto del conocimiento, el entendimiento y las habilidades que el programa pretende desarrollar. La planificación de las actividades y clases lectivas es crucial para conseguir un equilibrio que incluya más experiencias de indagación. Otro aspecto importante de la planificación se relaciona con la organización de los estudiantes. Es necesario estimular el trabajo grupal, la opinión y la discusión de ideas en el contexto de un cierto conocimiento. Es importante que cada unidad y tópico se fundamente en alguna problemática científica, formulada a partir de hechos provenientes de observaciones, datos de actualidad o experiencias vividas por los estudiantes, ofreciéndoles una diversidad de actividades. Conviene presentar los datos en forma integrada y utilizar fuentes diversas de información, tales como videos, películas o simulaciones computacionales, exámenes de laboratorio e informática pedagógica. Las actividades prácticas otorgan a la enseñanza de la biología mayor valor formativo, desarrollando en los alumnos y alumnas un conjunto de capacidades. Esto no significa necesariamente un montaje experimental costoso y complejo. Un sencillo experimento puede ser de máximo provecho si es utilizado para ejercitar y hacer evidente los procedimientos de observación, razonamiento y comunicación de la ciencia, partiendo de preguntas que surjan del alumnado motivadas por el docente. Cuando sea pertinente, en términos de contenidos o

métodos, deben aprovecharse las oportunidades de realizar un enlace o integración con otras disciplinas. La evaluación no sólo debe probar si los estudiantes han memorizado información sino también debe medir el grado de entendimiento, razonamiento, y aplicación del conocimiento, es decir las habilidades que se logran a través de la indagación e investigación. La evaluación puede realizarse de diversas maneras. Además de las pruebas convencionales de papel y lápiz, deben probarse presentaciones orales, portafolios (carpetas), entrevistas, reportes de investigación, breves resúmenes o ensayos escritos. Una evaluación formativa es crucial para detectar dificultades durante el estudio y una evaluación sumativa contribuye a elaborar un resumen de conocimientos. Se aconseja realizar controles con ejercicios cortos en cada clase, 1 a 2 pruebas que no excedan más de 1 hora por unidad. Los controles deben contener un pequeño número de preguntas destinadas a verificar la adquisición de conocimiento, primero, y luego a evaluar la aplicación de los conocimientos y métodos, y el razonamiento sobre un documento. Los estudiantes deben planear y hacer presentaciones al resto de la clase acerca de su trabajo, exponiendo la manera de organizar y presentar los datos que utilizaron. Deben explicar y justificar su trabajo a ellos mismos y a otros, como un medio para desarrollar una actitud científica, al ejercitar la capacidad de poner a prueba la validez del conocimiento que han producido en sus búsquedas e indagaciones, y de aceptar y reaccionar positivamente a las críticas constructivas de los demás. Con el conjunto de estas prácticas se irá moldeando un entendimiento de lo que es una indagación científica.

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Objetivos Fundamentales Los alumnos y las alumnas desarrollarán la capacidad de:

1. Comprender que los organismos han desarrollado mecanismos que posibilitan su funcionamiento sistémico y su interacción con el medio de manera integrada, manteniendo un ambiente interno estable.

2. Conocer la organización del sistema nervioso y comprender su función en la regulación y coordinación de las funciones sistémicas, la motricidad y el comportamiento.

3. Comprender y valorar los fundamentos de la evolución y adaptación a distintos ambientes, y la diversidad biológica como su resultado.

4. Apreciar la importancia de la formulación de teorías en el desarrollo del pensamiento científico; comprender la distinción entre las teorías y los hechos que las sostienen o refutan y la manera como éstas se validan en la comunidad científica; saber del retardo que puede haber en la aceptación y utilización de una teoría por la opinión pública.

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Unidades, contenidos y distribución temporal Unidades 1 Control nervioso y comportamiento

2 Regulación de las funciones corporales y homeostasis

3 Biología humana y salud: higiene nerviosa

4 Variabilidad, evolución y adaptación

Contenidos 1. Sistema nervioso: organización y función

1. Homeostasis y función renal

1. Drogas y toxicomanía

1. Variación y evolución

• La variedad de estímulos que excitan el sistema nervioso, sus receptores y su importancia relativa en distintos organismos. • Estructura de la neurona, conectividad, organización y función del sistema nervioso en la regulación y coordinación de las funciones sistémicas, la motricidad y el comportamiento.

• Concepto y fundamentos de la homeostasis, distinguiendo los órganos, sistemas y procesos regulatorios involucrados. • Formación de orina: el nefrón como unidad funcional.

• Investigación y debate sobre los aspectos biológicos, éticos, sociales y culturales de la adicción a drogas que afectan el comportamiento y los estados de ánimo.

• Registro fósil como evidencia de la evolución orgánica. Distinción entre hechos y teorías.

2. Impulso nervioso 3. Sinapsis y neurotransmisores • Naturaleza electroquímica del impulso nervioso y su forma de transmisión entre neuronas y entre neuronas y músculo (señales químicas y sinapsis).

2. Regulación neuroendocrina • Control hormonal y nervioso en la coordinación e integración de los sistemas: investigación en diversas fuentes sobre el control por retroalimentación.

2. El estrés • Estrés nervioso, consecuencias físicas, causas y prevención.

• Exito reproductivo como resultado de la competencia en el ambiente.

Tiempo estimado

9 semanas

8 semanas

• Estructura y función del ojo: propiedades ópticas, respuesta a la luz, y anomalías de la visión. • Sistema muscular (esquelético, liso y cardíaco) y su conexión funcional con distintas partes del sistema nervioso. Actividad refleja y motricidad voluntaria. • Estructura del tórax y mecanismo de la ventilación pulmonar. • Control de la frecuencia respiratoria.

• Valoración de la biodiversidad como producto del proceso evolutivo. • Selección natural en la evolución y extinción de especies. Innovaciones y formas intermedias.

Tiempo estimado

4. Vías aferentes y eferentes

• Variabilidad como materia prima de los cambios evolutivos y su importancia en la sobrevivencia de las especies.

• Investigación sobre la historia de Darwin y el impacto cultural de su teoría en contraste con otras teorías evolutivas. 2. Adaptación

• Adaptaciones que permiten a plantas y animales sobrevivir en distintos ambientes. • Respuestas adaptativas a los cambios ambientales, diarios y estacionales. • Adaptación en tiempo evolutivo: historia de la aparición de los grupos mayores de organismos. • Relación estructura función: identificación de diferenciaciones y estructuras especializadas en diversas células, incluyendo organismos unicelulares. Uso de ilustraciones, fotografías y de recursos computacionales.

Tiempo estimado

13 semanas

10 semanas

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Objetivos Fundamentales Transversales y su presencia en el programa

LOS OBJETIVOS FUNDAMENTALES TRANSVERSALES (OFT) definen finalidades generales de la educación referidas al desarrollo personal y la formación ética e intelectual de alumnos y alumnas. Su realización trasciende a un sector o subsector específico del currículum y tiene lugar en múltiples ámbitos o dimensiones de la experiencia educativa, que son responsabilidad del conjunto de la institución escolar, incluyendo, entre otros, el proyecto educativo y el tipo de disciplina que caracteriza a cada establecimiento, los estilos y tipos de prácticas docentes, las actividades ceremoniales y el ejemplo cotidiano de profesores y profesoras, administrativos y los propios estudiantes. Sin embargo, el ámbito privilegiado de realización de los OFT se encuentra en los contextos y actividades de aprendizaje que organiza cada sector y subsector, en función del logro de los aprendizajes esperados de cada una de sus unidades. Desde la perspectiva señalada, cada sector o subsector de aprendizaje, en su propósito de contribuir a la formación para la vida, conjuga en un todo integrado e indisoluble el desarrollo intelectual con la formación ético-social de alumnos y alumnas. De esta forma se busca superar la separación que en ocasiones se establece entre la dimensión formativa y la instructiva. Los programas están construidos sobre la base de contenidos programáticos significativos que tienen una carga formativa muy importante, ya que en el proceso de adquisición de estos conocimientos y habilidades los estudiantes establecen jerarquías valóricas, formulan juicios morales, asumen posturas éticas y desarrollan compromisos sociales.

Los Objetivos Fundamentales Transversales definidos en el marco curricular nacional (Decreto Nº 220), corresponden a una explicitación ordenada de los propósitos formativos de la Educación Media en cuatro ámbitos: Crecimiento y Autoafirmación Personal, Desarrollo del Pensamiento, Formación Ética, Persona y Entorno; su realización, como se dijo, es responsabilidad de la institución escolar y la experiencia de aprendizaje y de vida que ésta ofrece en su conjunto a alumnos y alumnas. Desde la perspectiva de cada sector y subsector, esto significa que no hay límites respecto a qué OFT trabajar en el contexto específico de cada disciplina; las posibilidades formativas de todo contenido conceptual o actividad debieran considerarse abiertas a cualquier aspecto o dimensión de los OFT. Junto a lo señalado, es necesario destacar que hay una relación de afinidad y consistencia en términos de objeto temático, preguntas o problemas, entre cada sector y subsector, por un lado, y determinados OFT, por otro. El presente programa de estudio ha sido definido incluyendo (‘verticalizando’) los objetivos transversales más afines con su objeto, los que han sido incorporados tanto a sus objetivos y contenidos, como a sus metodologías, actividades y sugerencias de evaluación. De este modo, los conceptos (o conocimientos), habilidades y actitudes que este programa se propone trabajar integran explícitamente gran parte de los OFT definidos en el marco curricular de la Educación Media. El Programa de Biología de Tercer Año Medio, refuerza algunos OFT que tuvieron presencia y oportunidad de desarrollo durante el

Primer y Segundo Año Medio y adicionan otros propios de las nuevas unidades. En el ámbito Crecimiento y Autoafirmación Personal, se refuerza el OFT referido al cuidado del propio cuerpo: el programa tiene como uno de sus focos la creación de criterios de valoración de la vida y el desarrollo de hábitos de cuidado de la salud y del propio cuerpo. La Unidad Biología humana y salud: higiene nerviosa, enfatiza el conocimiento de los efectos que sobre la salud tienen las drogas, el alcohol y sus formas de prevenirlas. Asimismo, el programa en su conjunto promueve la realización de los OFT de formar y desarrollar el interés y la capacidad de conocer la realidad, y utilizar el conocimiento y la información. Todos los OFT del ámbito Desarrollo del Pensamiento son una dimensión central de los aprendizajes, contenidos y actividades del programa. En este marco, tienen especial énfasis las habilidades de investigación y el desarrollo de formas de observación, razonamiento y de

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proceder características del método científico, así como las de exposición y comunicación de resultados de actividades experimentales o de indagación. En relación a los OFT del ámbito Persona y su Entorno, el programa conduce a la comprensión de la relación que existe entre estrés y los agentes estresores. Además, la Unidad Variabilidad y evolución muestra la relación que existe entre los factores ambientales, las predisposiciones fenotípicas y los mecanismos de adaptación ambiental. Junto a lo señalado, el programa, a través de las sugerencias al docente, invita a prácticas pedagógicas que realizan los valores y orientaciones éticas de los OFT, así como sus definiciones sobre habilidades intelectuales y comunicativas. Además, el programa se hace cargo de los OF T de Informática, incorporando en diversas actividades y tareas la búsqueda de información a través de redes de comunicación y empleo de softwares.

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U Unidad 1

Control nervioso y comportamiento Orientaciones didácticas

Esta unidad pretende que los estudiantes entiendan los principios básicos que gobiernan las variadas y complejas funciones del sistema nervioso, en la coordinación de las diversas partes del organismo y en el comportamiento, las emociones, el pensamiento, la memoria y el lenguaje. Para esto es necesario apreciar tanto su organización funcional y anatómica como las propiedades especiales de las neuronas, que constituyen su unidad funcional básica. No interesan los detalles anatómicos sino los principios de su organización en sistemas con distintas funciones: a) Un sistema sensorial, cuya actividad es modificada por el medio externo e interno. b) Un sistema de fibras nerviosas con estaciones sinápticas que conducen esa actividad a centros de integración en la médula espinal y en el cerebro. c) Un sistema efector constituido por glándulas y músculos bajo el control de señales nerviosas. Debe ilustrarse cómo están interconectados y cómo interactúan estos sistemas. Así se apreciará que aun el comportamiento más simple involucra la actividad coordinada y concertada de todos ellos. Sobre el cerebro, es importante que los estudiantes aprendan que está compuesto por una red tridimensional de billones de neuronas interconectadas y que su actividad genera nuestra percepción del mundo externo, determina nuestra atención, controla la maquinaria de acción motora, y es responsable de nuestras complejas facultades mentales. Los conceptos básicos sobre la función y organización del sistema nervioso se entregarán a través de esquemas funcionales y de imágenes de técnicas que permiten observar el cerebro en actividad. Para entender cómo se organizan las neuronas y cómo se comunican entre ellas a través de la transmisión sináptica, debe hacerse énfasis en su polaridad funcional y estructural y en la estrategia que utilizan para producir señales eléctricas que viajan por largas distancias y que son integradas por el cerebro. Esta parte se presta para estimular el razonamiento de los estudiantes, incitándolos a que hagan inferencias y conjeturas en base a información entregada por el docente junto con la proposición de problemas. Entre los órganos sensoriales se estudia en detalle el ojo, por las facilidades que ofrece para establecer relaciones entre estructura y función, y como ejemplo del proceso de transducción sensorial. El sistema muscular se trata fundamentalmente en relación a su papel efector. En toda la unidad se recomienda la utilización de documentos fotográficos de microscopía electrónica e ilustraciones esquemáticas de datos sobre la actividad del cerebro, obtenidos por técnicas de exploración modernas, no invasivas. Además, la unidad ofrece variadas oportunidades para

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valorar los avances de la ciencia en medicina y también se presta para reforzar el valor del conocimiento científico y su metodología. En relación a esto pueden conectarse temas de interés general como son el efecto de drogas y la drogadicción que se tratan en más detalle en la Unidad 3 Biología humana y salud. Es también importante que los estudiantes queden con una idea intuitiva de la complejidad de los problemas aún no resueltos sobre el funcionamiento del sistema nervioso y su rol en los procesos mentales. Este es un fascinante desafío para la ciencia y la humanidad en general.

Contenidos Unidad 1: Control nervioso y comportamiento

1. Sistema nervioso: organización y función. 2. Impulso nervioso. 3. Sinapsis y neurotransmisores. 4. Vías aferentes y eferentes.

Aprendizajes esperados

Alumnos y alumnas saben y entienden que: • Todos los organismos tienen la propiedad de responder (reactividad o irritabilidad) a estímulos externos (cambios en el ambiente) cuando éstos alcanzan cierta intensidad (umbral). Algunos organismos poseen un sistema nervioso que expande la capacidad y diversidad de respuesta. • El sistema nervioso integra la función de los sistemas sensoriales y los musculares a través de centros ubicados en la médula espinal y el cerebro, donde se procesan las señales provenientes del exterior e interior del organismo. • El cerebro está formado por 100 billones de neuronas organizadas en una red tridimensional cuyas interacciones originan toda la actividad mental. Esta actividad se ve reflejada en el comportamiento y en una gran variedad de atributos, tales como la inteligencia, las emociones, los afectos, el aprendizaje, el lenguaje y la memoria. El cerebro es responsable de la percepción del mundo externo e interno, fija nuestra atención, y controla la maquinaria de la acción. • Los receptores sensoriales son estructuras especializadas que responden selectivamente a un tipo de estímulo, ya sea, presión, calor o frío, vibración, luz y compuestos químicos. La respuesta de los receptores consiste en señales eléctricas que pueden viajar por las neuronas a otros lugares del Sistema nervioso donde son integradas. La visión, como otras sensaciones, es un proceso que involucra la estimulación de receptores específicos, transmisión e integración de señales nerviosas en el cerebro. En este caso, la luz estimula a los fotorreceptores que están en la retina desde la cual se generan las señales que viajan por el nervio óptico hasta ciertas regiones del cerebro donde su procesamiento produce la visión. La visión puede afectarse por anomalías oculares y nerviosas.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento

• Las neuronas son células especializadas que permiten la comunicación casi inmediata de diferentes puntos del organismo. Estas células poseen propiedades estructurales y funcionales que permiten conducir impulsos eléctricos a gran velocidad (1 a 100 metros/segundo) e integrar la actividad de muchas neuronas. La actividad coordinada de las neuronas y sus interacciones por medio de las sinapsis producen respuestas motoras y emocionales, percepciones, aprendizaje, memoria, lenguaje y en general todos los procesos mentales. Esto es posible gracias a que se organizan formando vías y redes de señalización, con precisas y múltiples interconexiones entre ellas y con las células musculares. Las neuronas se comunican con otras neuronas o con células efectoras musculares o glandulares a través de señales químicas (neurotransmisores) que se liberan por exocitosis en las terminales sinápticas desde la neurona activa y son captadas por receptores específicos en la superficie de la célula efectora. Los procesos de aprendizaje, formación de memoria o la acción de drogas involucran modificaciones al nivel de la sinapsis nerviosa. • La membrana plasmática de todas las células tiene un potencial eléctrico de reposo negativo, que resulta de la tendencia del ion potasio a salir de la célula por canales específicos, como resultado de una gradiente de concentración que se mantiene por la actividad de la bomba de sodio-potasio, consumiendo energía. En las neuronas, el potencial de reposo puede ser modificado rápidamente (despolarización) gracias a la apertura de canales de sodio, como resultado de estímulos ambientales o señales de otras neuronas. Esto genera potenciales de acción que son utilizados para transmitir las señales nerviosas de un sitio a otro. La información que lleva el impulso nervioso está codificada en la frecuencia y número total de potenciales de acción. Los nervios que poseen axones largos tienen una vaina aislante de mielina, interrumpida por nudos de Ranvier, que hace más rápido el viaje del impulso nervioso. • El sistema muscular es controlado por el sistema nervioso de manera voluntaria o refleja, somática o autónoma. Un ejemplo de esto son los movimientos respiratorios controlados por centros que reciben información sobre la composición química de la sangre (oxígeno, dióxido de carbono y pH) y la distensión de la caja torácica. A nivel celular existen estructuras citoplasmáticas que forman un verdadero “motor molecular” (sarcómero) y proveen a las células musculares estriadas de la capacidad de contracción para el movimiento del organismo. Alumnos y alumnas mejoran sus habilidades para:

•

Elaborar y sintetizar conceptos.

•

Razonar, inferir y hacer conjeturas, en base a conocimientos previos y problemas.

•

Utilizar distintas fuentes de información.

•

Interpretar gráficos, fotografías, dibujos y esquemas funcionales.

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1. Sistema nervioso: organización y función

Actividad 1

Informarse sobre la propiedad de reactividad y sus niveles de complejidad en diversos organismos con y sin sistema nervioso.

Ejemplo

Los estudiantes investigan en la bibliografía disponible y en internet ejemplos de respuestas a cambios del medio en organismos unicelulares y multicelulares. Discuten sus observaciones. El docente presenta un esquema como el siguiente y explica las ventajas del sistema nervioso y la complejidad de las respuestas, haciendo una relación entre la organización del sistema nervioso en redes neuronales y ganglionares y la capacidad de integrar estímulos y señales. Explicar que los estímulos son cambios en el ambiente, tales como cambios de presión, composición química, temperatura, radiación y propiedades eléctricas.

Figura 1 Variaciones en la complejidad del sistema nervioso en distintos organismos

Anillo Neural

Nervio Radial

Red Neuronal

Red Neuronal con escasa integración de información. Comportamientos simples

Una red neuronal en cada brazo, conectado por un anillo neural central

Anémona de mar (Cnidaria)

Estrella de Mar (Echinodermata)

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

Cerebro

Cuerda Nerviosa

Nervio Segmentado Ganglio en el cordón nervioso ventral

Los ganglios segmentados coordinan el movimiento, y un “cerebro” controla comportamientos más complejos

Mayor centralización del procesamiento de la información. Un ganglio anterior funciona como un cerebro rudimentario.

Nervio Transversal

Gusano de tierra (Annelida) Gusano Plano (Platyhelminthes)

Ganglio Visual Cerebro Colección de neuronas Ganglios especializados Comportamiento más complejo

Nervios Gustativos

Ganglio Nervios hacia los Músculos

Calamar (Mollusca)

El cerebro humano y la médula espinal constituyen el sistema nervioso central, que se comunica con las células y órganos del organismo a través del sistema nervioso periférico.

Humano (Chordata).

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Actividad 2

Reconocer la función del sistema nervioso en distintas actividades y conductas y relacionarlas con su organización general y sus unidades funcionales: las neuronas.

Ejemplo

El profesor o profesora muestra diversas actividades (arquero atajando, equilibrista, iluminación y dilatación de la pupila, una persona suelta una barra y otra la recibe, pide a un estudiante que vaya hacia la puerta, etc.) e invita a los estudiantes a identificar los estímulos, las relaciones entre los elementos sensoriales y los elementos musculares, y los aspectos que requieren integración de la actividad neuronal en el Sistema nervioso. A través de preguntas, se guiará a los alumnos y alumnas a reconocer que los elementos sensoriales y musculares están alejados en el cuerpo, que deben tener conexiones precisas y rápidas, y que debe haber integración de las señales provenientes del medio para generar una respuesta adecuada. Mostrar esquemas con la organización general del sistema nervioso para explicar: a) que la precisión en la transmisión de las señales está basada en las rutas y las íntimas interconexiones que establecen las neuronas con células específicas; b) que la velocidad se debe a la naturaleza eléctrica

Figura 2 Organización general del sistema nervioso

del impulso nervioso. Hacer ver la diferencia de velocidad que tienen los procesos de difusión (por

Corteza Motora

Corteza sensorial somática

ejemplo del humo en el aire o una gota de tinta en un vaso) y los procesos eléctricos. Mostrar con

Tálamo

una ilustración las diferencias del sistema nervioso y el endocrino. Para apreciar la organización funcional del cerebro, alumnos y

Corteza visual

alumnas utilizan la tabla 1 para

Vía aferente

rotular un corte transversal de

Piel

cerebro, indicando el nombre y la Vía aferente

Músculo

función de cada región.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

Figura 3 Comparación entre el control nervioso y el endocrino

Estímulo

Emisor

Célula endocrina

Célula nerviosa

Hormona Axón Sangre

Hormona

Vía de transmisión

Señal

Mensaje nervioso

Hormona

Neurotransmisor Receptor Receptor Efector

Célula blanco Respuesta

Célula efectora Respuesta

Respuesta

Tabla 1 Funciones de las distintas regiones del sistema nervioso central

Médula espinal

Control reflejo del movimiento de las extremidades y del tronco. Recibe e integra información sensorial proveniente de la piel, articulaciones y músculos de las extremidades y el tronco.

Tronco encefálico

Centros de control de funciones vitales autónomas, tales como la digestión, respiración y ritmo cardíaco.

Bulbo raquídeo

Envía información acerca del movimiento desde los hemisferios cerebrales al cerebelo.

Cerebelo

Coordinación muscular, aprendizaje de habilidades motoras.

Diencéfalo, tálamo, hipotálamo

Procesamiento de la información que llega a la corteza cerebral desde el resto del Sistema Nervioso Central (SNC). Regulación de las funciones autonómicas, endocrinas y viscerales.

Hemisferios, cerebrales, corteza cerebral y centros profundos (ganglio basal, hipocampo)

Procesos sensoriales y motores contralaterales, memoria, lenguaje, coordinación de respuestas autonómas y endocrinas en relación con estados emocionales.

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INDICACIONES AL DOCENTE

En este momento es importante recalcar los siguientes conceptos generales, que luego se irán desarrollando más detalladamente: 1) Significado y organización general del sistema nervioso. El sistema nervioso tiene dos componentes: el sistema nervioso central, compuesto del cerebro y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico, compuesto de ganglios y nervios periféricos localizados fuera del cerebro y de la médula espinal. Gracias a su estructura enormemente versátil y plástica, el sistema nervioso expande enormemente el rango de conductas posibles del organismo. Pone en interacción los elementos sensoriales y musculares que se encuentran distantes, integra señales provenientes del medio y del interior del organismo, y dota a un grupo de organismos de complejas facultades mentales. Todo esto se realiza a través de la comunicación entre distintos tipos de neuronas y entre neuronas y músculos o glándulas. 2) Importancia de la forma característica de las neuronas. Las neuronas difieren de otras células del organismo por su capacidad de comunicarse rápidamente entre ellas y con otras células, a veces a grandes distancias, con gran precisión. Su distintivo es que poseen prolongaciones que se extienden por distancias enormes a nivel celular, alcanzando decenas de milímetros en las neuronas más grandes. Esta característica, universal a las neuronas de todos los organismos que poseen sistema nervioso, es fundamental para integrar partes del organismo que se encuentran distantes en muy distintas localizaciones del cuerpo. Grupos celulares diferentes son integrados al funcionamiento del organismo como un todo gracias a la célula nerviosa. De otra manera sólo podrían acoplarse funcionalmente a través de hormonas vertidas a la circulación general del organismo, con mucha mayor lentitud. 3) Rapidez y precisión del impulso nervioso. La rapidez se debe a la naturaleza eléctrica del impulso y a la íntima interconexión de la sinapsis que se establece entre neurona y neurona y entre neurona y músculo o entre neurona y célula endocrina, que evita la difusión del neurotransmisor químico. Todas las neuronas tienen propiedades más o menos similares, pero son capaces de producir acciones muy diferentes debido a las conexiones precisas que establecen. La precisión se debe a la forma de la neurona que le permite transportar sustancias y señales entre dos regiones del organismo a través de un camino muy específico. Además, establece sinapsis con células bien específicas y no al azar. La estructura de la sinapsis permite una entrega local de transmisor sin que otras células circundantes sean afectadas. 4) Organización de las neuronas formando vías de conducción del impulso nervioso y redes tridimensionales. El sistema neuronal se encuentra inserto en el organismo a través de múltiples conexiones con muchos tipos celulares, formando nervios y una red neuronal tridimensional con millares de interconexiones. Así, se ponen en contacto las superficies sensoriales y las motoras por medio de numerosos contactos sinápticos, teniendo como intermediario los centros de integración (médula espinal y cerebro).

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

5) Función del cerebro. El cerebro se encuentra localizado entre las neuronas motoras y sensoriales. Esta posición le permite transformar e integrar la actividad neuronal producto de la interacción con el mundo externo e interno del organismo y, a la vez, generar las respuestas motoras coordinadas que observamos como conductas. La complejidad del cerebro se hace evidente en nuestra capacidad de percepción, de recordar eventos y actuar apropiadamente. La actividad proveniente de receptores periféricos que son perturbados por el ambiente es integrada por el cerebro dando origen a percepciones, algunas de las cuales permanecen como memoria. El cerebro hace todo esto a través de neuronas y de conexiones entre ellas. Un número enorme de neuronas manejan señales de manera concertada y coordinada. En el ser humano se encontrarían unas 1011 (miles de millones) neuronas cerebrales interconectando alrededor de 107 (decenas de millones) neuronas sensoriales distribuidas en varios puntos del cuerpo con unas 106 (millones) motoneuronas que activan unos pocos miles de músculos. Las razones matemáticas de esta interconexión entre neuronas sensoriales, cerebrales y motoras es de 10/100.000/1. Si se considera la actividad de 1011 neuronas en el cerebro y que cada una recibe múltiples contactos con otras neuronas, el número de combinaciones posibles es de una enormidad inimaginable. Actualmente, existen técnicas de producción de imágenes que permiten observar la actividad neuronal del cerebro humano frente a los estímulos del medio y durante procesos mentales en vivo. Sin embargo, muchos aspectos de los mecanismos de integración de las señales y del origen de las facultades mentales siguen siendo desconocidos. Dilucidarlos constituye un gran desafío para la ciencia.

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Actividad 3

Presentar aspectos históricos sobre las ideas de la estructura y función del sistema nervioso. Observar neuronas en el tejido nervioso y hacer esquemas funcionales, ilustrando las relaciones entre su estructura y función.

Ejemplo

El profesor o la profesora explica el aporte de Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal al conocimiento del tejido nervioso. Luego presenta preparaciones de cortes histológicos transversales de medula espinal con distintos grados de magnificación para que se puedan apreciar la sustancia gris, la sustancia blanca, y neuronas. Utilizar esquemas de diferentes tipos de neuronas para que los estudiantes reconozcan los elementos comunes y puedan sintetizar el fenotipo neuronal en un esquema de una neurona tipo. El docente utilizará este esquema para explicar que todas las neuronas tienen las siguientes características: a) Una polaridad funcional reflejada en regiones especializadas en recibir estímulos (región de entrada del estímulo), regiones especializadas en la rápida propagación de la señal por largas distancias (axón) y la región axonal terminal donde se secreta el neurotransmisor que estimulará positiva o negativamente la neurona post-sináptica. b) Las neuronas se especializan en la transmisión de mensajes direccionalmente. c) Algunos tipos de neuronas tienen su axón cubierto por mielina, una estructura aislante formada por las células de Schwann. Mostrar un esquema de un axón cubierto por la vaina de mielina. Las figuras 4 y 5 sirven de ejemplo para esta actividad.

INDICACIONES AL DOCENTE

Durante esta actividad se deben ir introduciendo conceptos que serán desarrollados en más detalle en el curso de toda la unidad, presentándolos en distintos contextos para reforzar su aprendizaje. Mencionar aquí los siguientes aspectos sobre la anatomía del sistema nervioso y la estructura general de sus unidades de señalización, las neuronas, para luego explicar los aportes de Golgi y Ramón y Cajal a este conocimiento. a) El sistema nervioso posee dos tipos de células: neuronas y células gliales. Las neuronas se organizan formando redes complejas, tridimensionales, que se encargan de integrar los diversos estímulos y elaborar respuestas. Una neurona típica tiene cuatro zonas morfológica y funcionalmente definidas: el cuerpo o soma, dendritas, axón y terminales presinápticas. El cuerpo celular o soma es el centro metabólico de la neurona y da origen a dos tipos de prolongaciones

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

llamados dendritas y axón. Una neurona generalmente tiene varias dendritas que forman el aparato receptor de señales de otras neuronas. El axón es una prolongación tubular con un diámetro de 0.220 micrones, que puede ramificarse y extenderse más de un metro de largo. El axón es la principal unidad conductora de señales de la neurona, capaz de enviar señales a gran distancia mediante la propagación de una señal eléctrica (potencial de acción). Las neuronas se distinguen dramáticamente unas de otras por su forma y tamaño, especialmente por el número y forma de sus prolongaciones dendríticas y axonales. El número y extensión de las prolongaciones dendríticas se correlaciona con el número de conexiones con otras neuronas. Una moto-neurona espinal, cuyas prolongaciones dendríticas son moderadas en número y extensión, recibe alrededor de 10.000 contactos, 2.000 en el cuerpo celular y 8.000 en las dendritas. En cambio, el enorme árbol dendrítico de las células de Purkinge del cerebelo recibe alrededor de 150.000 contactos. Las células gliales rodean los cuerpos y axones de las neuronas. En el sistema nervioso central hay cerca de 10-50 veces más células gliales que neuronas. Estas células sirven de sostén al sistema nervioso, dándole firmeza y estructura al cerebro y algunas de ellas, tales como los oligodendrocitos en el cerebro y las células de Schwann en el sistema nervioso periférico, forman mielina, una vaina aislante que cubre la mayor parte de los axones. b) Las células neuronales son las unidades funcionales y estructurales del sistema nervioso. Durante años se pensó que la teoría celular no se aplicaba al cerebro. Camillo Golgi desarrolló una técnica que permite teñir toda la neurona. Esta técnica fue utilizada por Santiago Ramón y Cajal para examinar detalladamente la estructura de las células nerviosas de numerosos organismos, incluyendo a la especie humana Sus observaciones mostraron que las neuronas son las unidades básicas de señalización en el cerebro y que cada neurona es una célula discreta, de cuyo cuerpo emergen numerosas prolongaciones, las dendritas y el axón. De sus estudios también derivaron otros dos principios: 1) La polaridad funcional, es decir, que el impulso nervioso fluye en sólo una dirección desde los sitios donde se recibe el estímulo (dendritas) hacia la terminal presináptica. 2) Conectividad específica, es decir, que las células nerviosas no se conectan indiscriminadamente unas con otras formando redes al azar, sino que establecen conexiones específicas en sitios precisos y especializados de contacto sináptico, con sólo algunas neuronas postsinápticas. Estos principios deben ser re-explicados e ilustrados cada vez que sea pertinente en otras actividades, por ejemplo, al examinar el arco reflejo.

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Figura 4 Microscopía de cortes transversales de médula espinal: desde la sustancia gris a la neurona Médula espinal

Sustancia gris 2 1 2

3 4

1 Sustancia gris 2 Sustancia blanca 3 Cuerpo celular de una neurona 4 Prolongaciones citoplasmáticas (dendritas y axones)

Neuronas

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

Figura 5 Variedades de neuronas, sus ramificaciones y sus componentes funcionales

Dendritas

Cuerpo celular

Cuerpo Celular

Axón Cuerpo celular

Axón

Dendritas Axón Neurona Motora Espinal

Neurona Bipolar de la Retina

Neurona de Purkinje del Cerebelo

DETALLE DEL AXÓN Nudos de Ranvier

Vaina de Mielina

Núcleo

Axón

Célula de Schwann COMPONENTES FUNCIONALES Componente

Neurona sensitiva

Interneurona

Moto-neurona

Modelo de neurona

Entrada

Estímulo

Estímulo excitatorio de entrada

Integración

Integración del estímulo Conducción del estímulo (potencial de acción)

Conducción

Salida

Músculo

Secreción

Estímulo o secreción de salida

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Actividad 4

Analizar un acto reflejo reconociendo los componentes sensoriales y motores, la direccionalidad de la señal nerviosa, sus relevos sinápticos entre el componente sensorial y el motor, y sus modificaciones post-sinápticas (excitación e inhibición).

Ejemplo

El docente pide a los estudiantes que identifiquen los distintos estímulos a los que reacciona el organismo y los invita a que planteen propuestas sobre los mecanismos por los cuales el organismo podría captar estos estímulos y elaborar respuestas ante ellos. Les pide que incluyan al cerebro en sus conjeturas. Preguntará, por ejemplo, cómo distingue el cerebro que se trata de temperatura, presión o señales luminosas. Durante la conversación debe ir explicando el concepto de receptor sensorial, como una estructura especializada en la transformación de los estímulos en impulsos nerviosos que pueden ser integrados por el cerebro. Luego explica que el reflejo es una forma simple de conducta frente a un estímulo donde se pueden encontrar todos los elementos que se necesitan para entender los principios básicos de la función del sistema nervioso. Demuestra el reflejo rotuliano y describe sus características y los componentes nerviosos y musculares involucrados, realizando un esquema como el de la figura 6. Llama la atención sobre la rapidez de la respuesta y pide a los estudiantes que la comparen con procesos regulados hormonalmente, recuperando para esto conocimientos previos (por ejemplo, el control del ciclo menstrual o de los niveles de glucosa). Dibujan esquemáticamente un arco reflejo. Deben reconocer en el esquema los principios y conceptos que ya se han expuesto en actividades anteriores. Aquí se les adicionará otro concepto importante: el hecho de que el impulso nervioso se va modificando a medida que se transmite en cada relevo sináptico, porque la neurona post-sináptica puede ser inhibitoria o recibir también señales de otras neuronas que pueden ser inhibitorias.

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad tiene por objeto ilustrar de manera introductoria el funcionamiento del sistema nervioso analizando una conducta relativamente simple, pero que contiene todos los principios básicos de la organización, interconexiones, procesamiento, rapidez y precisión de las señales nerviosas. El acto reflejo es un comportamiento producido por dos clases de neuronas conectadas entre ellas a través de conexiones excitatorias, de modo que las neuronas aferentes llevan a la contracción de los músculos extensores de la pierna. Sin embargo, estas neuronas también activan interneuronas inhibitorias que previenen la acción de los músculos flexores antagonistas. Este tipo de integración está diseñado para suprimir acciones competitivas, en este caso, entre distintos conjuntos musculares.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sistema nervioso: organización y función

Figura 6 Constituyentes del arco reflejo

Cuerpo celular en el ganglio de la raíz dorsal Médula espinal Fibra aferente

Cuadriceps extensor

Axón motor Axón motor

Bíceps (Flexor) Neuronas motoras extensoras y flexoras

Neurona intermediaria inhibitoria

Figura 7 El estímulo nervioso puede producir una respuesta excitatoria o inhibitoria

Neurona aferente inervando el músculo extensor

Motoneurona extensora Extensor

Interneurona inhibitoria

Flexor

Neurona aferente inervando el músculo flexor

Motoneurona flexora

Con este ejemplo se debe aprovechar para explicar que la señal se va modificando a medida que pasa a otras neuronas. En este caso el procesamiento involucra pocas neuronas. Se les recordará que el cerebro posee billones de neuronas que forman redes interactivas. Así se apreciará la complejidad enorme que puede alcanzar el procesamiento de las señales en los procesos mentales y en el comportamiento. Debe quedar claro que estos procesos son productos de la actividad neuronal, aunque aún no sabemos cómo se generan.

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2. Impulso nervioso

Actividad 1

Examinar las propiedades eléctricas de la membrana plasmática de la neurona en reposo (potencial de reposo) y bajo estimulación (potencial de acción).

Ejemplo

En el montaje experimental ilustrado en la figura 8, se utilizó un par de electrodos para registrar diferencias de potencial tanto en la región neuronal que recibe estímulos sensoriales como en el axón. Uno de los microelectrodos está colocado fuera de la célula mientras el otro se introdujo al interior. Mediante preguntas, guiar a los estudiantes para que aprecien que existe un potencial eléctrico a través de la membrana plasmática y para que hagan inferencias sobre su significado en términos de la distribución de cargas, recuperando conocimientos previos sobre potencial, iones y cargas eléctricas. Luego, preguntar sobre cómo se perturba el potencial de reposo en distintas partes de la neurona al aplicar un estímulo. Llevar a los alumnos y alumnas a que aprecien lo siguiente: a) se requiere una despolarización inicial de cierta magnitud (umbral) para que se produzcan potenciales de acción; b) el potencial de acción es de tipo “todo-o-nada” y no varía su amplitud al propagarse a todo lo largo del axón; c) el potencial de acción, al llegar al término del axón desencadena la secreción (exocitosis) de un transmisor nervioso que servirá de estímulo para la próxima neurona en la vía de conducción de la señal. Cada uno de estos aspectos debe surgir de preguntas e inferencias. Guiar a los estudiantes para se den cuenta que una diferencia de potencial significa una separación de cargas positivas y negativas a cada lado de la membrana plasmática y que los estímulos inducen una inversión en la separación de cargas. Deben poder concluir que el potencial de acción es una modificación del potencial de reposo, que puede ser conducido por los axones de las neuronas. También es importante que los alumnos y alumnas se den cuenta de las

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

Figura 8 El potencial de reposo y el potencial de acción en distintas regiones de una neurona sensitiva, detectados por microelectrodos conectados a un osciloscopio

Cuerpo celular de la nerurona sensitiva

Zona gatillante Huso muscular

Axón mielenizado Terminación sináptica

A. Potencial receptor B. Acción gatillante

C. Potencial de acción

D. Señal de salida

Amplitud de estiramiento Estímulo (estiramiento)

Potencial de Membrana

Duración

Espiga umbral

Tiempo (s)

distintas regiones funcionales que tiene la neurona. Mencionar que los mecanismos básicos que explican estas observaciones quedarán en la incógnita por el momento, pero que serán retomados más adelante. Finalmente, observan la figura 9 e integran estos conceptos en las distintas neuronas y células musculares del arco reflejo, apreciando la transmisión sináptica de las señales.

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Figura 9 Secuencia de señales nerviosas en el arco reflejo

1 Estímulos Sensoriales Estímulo

Entrada

Integración

Conducción

2 Estímulos Motores Salida

Entrada

Conducción

Salida

Potencial de acción

Potencial de acción Potencial receptor

Integración

3 Estímulos del Músculo Entrada

Integración Conducción

Potencial de acción Potencial Sináptico

Potencial Sináptico

Estiramiento Huso muscular

Neurona sensitiva

Neurona Motora

Músculo

Contracción

INDICACIONES AL DOCENTE

En esta actividad se expondrán las características eléctricas del potencial de reposo y el potencial de acción y su función, sin entrar en sus mecanismos básicos. En esta etapa es importante que los estudiantes conozcan, entiendan y aprecien los siguientes aspectos: a) Todas las células tienen una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana, el potencial de reposo (interior negativo). En el sistema nervioso, los receptores sensoriales transforman los diversos estímulos (luz, sonido, presión, temperatura, etc.) en una señal eléctrica, que cambia el potencial de reposo. Cuando la magnitud del cambio de potencial de reposo sobrepasa un cierto umbral, se produce un potencial de acción que es conducido a lo largo del axón. Este fenómeno es universal a todas las neuronas de todos los organismos que tienen sistema nervioso. b) En el sitio donde se recibe el estímulo se genera una despolarización del potencial de membrana (el potencial se hace menos negativo) de manera proporcional al estímulo. Los potenciales de acción se producen sólo cuando la despolarización inicial alcanza el umbral (generalmente alrededor de -50 mV ). Esto ocurre generalmente al inicio del axón, lo cual refleja la regionalización funcional de la neurona. c) El potencial de acción es una respuesta del tipo todo-o-nada que no decae con la distancia. Por esto se transmite el impulso sin distorsión desde el inicio del axón al terminal sináptico donde produce la secreción del neurotransmisor. Es necesario que los estudiantes recuperen primero sus conocimientos sobre potencial o voltaje eléctrico y que al respecto tengan claro lo siguiente: a) que existen cargas eléctricas positivas y

Salida (Respuesta)

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

negativas y que las cargas de un mismo signo se repelen mientras las de signo contrario se atraen; b) se genera un potencial eléctrico (que es una forma de energía potencial y se mide en voltios) cuando se produce una acumulación de cargas en una región. Luego se les explicará que en las neuronas, al igual que todas las células del organismo, el funcionamiento de la bomba de Na+/K+ y la existencia de una permeabilidad selectiva a K+ generan una diferencia de potencial entre el interior y exterior de la célula. En cada ciclo la bomba saca 3 iones Na+ del interior de la célula e ingresa 2 iones K+ de manera que el interior es negativo con respecto al exterior. La tendencia del K+ a abandonar el medio intracelular genera el potencial negativo. En la mayoría de las neuronas el potencial de reposo es de -60 a -70 mV en el interior de la célula. Respecto de las características básicas del potencial de acción, debe enfatizarse lo siguiente: 1) Es una modificación transiente de la diferencia de potencial eléctrico en la neurona en reposo. Las células excitables, tales como las células neuronales y musculares, son diferentes de otras células en que su potencial eléctrico puede ser modificado drásticamente y servir así como mecanismo para generar señales eléctricas. Los estímulos que llegan a los receptores sensoriales desencadenan una disminución del potencial de reposo de la célula (despolarización), que ocurre por el paso de iones Na+ a través de la membrana (desde aproximadamente –70 mV a –55 mV ). Estos cambios en el potencial eléctrico de la célula producidos en el sitio receptivo de estímulos se llaman “potencial de receptor” y son de una magnitud proporcional a la intensidad del estímulo. Viajan pasivamente hacia el sitio de integración y generación de potenciales de acción y tienden a disminuir en amplitud y duración a medida que se alejan del sitio receptivo de los estímulos. Cuando sobrepasan un umbral de -50 mV desencadenan un potencial de acción del tipo todo-o-nada, caracterizado por una rápida y transitoria inversión de la polaridad de la membrana. Esto ocurre en una región de la neurona distinta y alejada del sitio de recepción del estímulo. La respuesta todo-o-nada significa que una vez que el potencial de acción se inicia, siempre alcanza la misma magnitud y duración, es decir, no es graduado según la intensidad del estímulo como ocurre con el potencial de receptor. 2) El potencial de acción que es generado por la señal inicial no decae a medida que viaja a lo largo del axón, distancia que en algunos casos puede alcanzar más de un metro (nervio ciático). Tiene una amplitud de 110 mV (desde -70 mV a +40 mV aproximadamente), dura aproximadamente 1 milisegundo y se conduce a una velocidad que puede variar entre 1-100 metros/seg. (en realidad estos valores pueden variar mucho). En esta parte sería conveniente establecer una conexión entre lo que se vio en la situación experimental y lo que ocurre en una neurona.

Al término de esta unidad se establecen las relaciones entre estructura y función a través de un esquema funcional de una neurona típica (ver figura 5). La mayoría de las neuronas, sean éstas sensoriales, motoras o neuroendocrinas, tienen en común cuatro regiones funcionales (figura 5):

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1) Una región receptora de estímulos. Aquí los estímulos pueden ser excitatorios (despolarizantes) o inhibitorios (inhiben la despolarización). 2) Una región integradora de todos los estímulos recibidos, donde se origina el potencial de acción. Si en esta zona llega una despolarización iniciada por los estímulos y sobrepasa el umbral se origina el potencial de acción. Esto dependerá de la resultante de todos los estímulos excitatorios e inhibitorios. 3) Una región conductora, el axón. En este punto se necesario introducir la función de la mielina. Mostrar esquemas de axones con y sin vaina de mielina y explicar que ésta es aislante y que la velocidad del impulso nervioso es mayor en las fibras mielínicas porque viaja mas rápido en la zona axonal revestida por mielina. 4) Una región transmisora, que secreta una transmisor químico. Cada componente está localizado en una región particular de la neurona y lleva a cabo una función especial en la transmisión de señales.

Actividad

Analizar las características de los potenciales de acción producidos por distintos sistemas sensoriales y su relación con el tipo e intensidad del estímulo.

Ejemplo

En el montaje experimental de la figura 10 se utilizó un par de microelectrodos conectados a un osciloscopio para detectar las diferencias de potencial eléctrico (voltaje) de los axones provenientes de receptores de presión en la piel y de fotorreceptores en el ojo, frente a estimulaciones de intensidad creciente. Para estimular los receptores en la piel se utilizó una pequeña sonda de punta redondeada y para los estímulos luminosos una linterna cuya intensidad de luz es variable. El profesor o profesora debe guiar con preguntas a los estudiantes para que noten que el potencial de acción es siempre de la misma magnitud, pero varía su frecuencia y su número en relación al estímulo. Luego incitarlos a que se hagan preguntas para plantear el problema que origina esta observación. Si dos estímulos tan diferentes generan las mismas señales eléctricas en las neuronas correspondientes. ¿Cómo se da cuenta el sistema nervioso del tipo de estímulo que está recibiendo si esto no se refleja en las características de la actividad eléctrica de las neuronas? Al final de la discusión debe quedar claro que esto se debe a las distintas vías neuronales que se activan y llevan la información al cerebro.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

Figura 10 Potenciales de acción originados por estímulos de presión en la piel y estímulos luminosos en el ojo

Estímulo de presión Ojo

Piel

milivoltios

Estímulo luminoso

milisegundos

milivoltios

milisegundos

milivoltios

milisegundos

INDICACIONES AL DOCENTE

En esta actividad es central apreciar los siguientes aspectos: a) El proceso de transducción por el cual diversos estímulos se transforman en impulsos nerviosos que pueden ser integrados por el cerebro es una transformación de una señal en otra forma de señal de tipo eléctrico que se propaga gracias a la energía metabólica. En este caso se ilustran los potenciales de acción generados por estímulos luminosos y por presión en la piel.

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b) La relación entre intensidad del estímulo y las características de los potenciales de acción. Dos hechos son críticos en la actividad neuronal: el número de potenciales de acción y el intervalo de tiempo entre ellos, es decir, su frecuencia. Explicar que si los potenciales de acción son muchos la sensación es intensa, pero si están separados por intervalos grandes la sensación es débil. Lo que determina la intensidad de la sensación o la velocidad del movimiento no es la magnitud o duración de los potenciales de acción individuales sino su frecuencia. A su vez, la duración de la sensación o del movimiento es determinado por el período durante el cual se generan potenciales de acción. c) Llamar la atención sobre los potenciales de acción generados por los estímulos en la piel versus los generados en el ojo. ¿Se pueden distinguir? Guiar la discusión de estos hechos enfatizando lo siguiente: los potenciales de acción son similares en todas las neuronas independientemente de sus funciones sensoriales o motoras y de los estímulos. Una vez producido, el potencial de acción de una neurona sensorial es indistinguible del de una neurona motora. Los impulsos nerviosos son parecidos aunque el mensaje sea destinado a producir una sensación de luz, dolor o tacto. De esto nace una de las preguntas más profundas sobre la función del cerebro. Si la señal es relativamente estereotipada y no refleja las características del estímulo, ¿cómo es que el sistema nervioso sabe si el estímulo es luminoso o táctil? ¿cómo se logra la enorme diversidad de respuestas que produce el sistema nervioso y que se traducen en sensaciones, comportamiento, aprendizaje, memoria, acción, etc.? ¿Cómo es que el sistema nervioso puede distinguir la variedad de estímulos que le llegan constantemente? La clave del significado de las señales o mensajes nerviosos está en las vías neuronales específicas que se activan. Las vías neuronales que son activadas por la luz son muy distintas de las que se activan por células sensoriales que responden al tacto. El significado de la señal, sea esta visual, táctil, sensorial o motora, no está determinado por la señal misma, sino que, principalmente, por la vía específica a través de la cual viaja el impulso, lo cual destina las señales a distintas regiones procesadoras en el cerebro.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

Actividad 3

Examinar esquemas de la organización del sistema nervioso central e imágenes del cerebro en actividad para ilustrar que los diferentes estímulos activan vías neuronales específicas.

Ejemplo

Los alumnos y alumnas observan documentos fotográficos con imágenes del encéfalo obtenidas con técnicas de exploración modernas no invasivas. Realizan un esquema simplificado de los principales elementos anatómicos que componen el encéfalo. Luego observan fotografías de cortes microscópicos de la corteza cerebral que muestren la enorme cantidad de neuronas organizadas en capas. El docente les presenta un esquema con las vías aferentes y eferentes y su cruzamiento a nivel de la médula. La anatomía del sistema nervioso se examina sólo para explicar que distintos estímulos activan distintas vías neuronales y que esto determina en gran parte el significado de los estímulos. Ya han visto que las señales no informan sobre la especificidad del estímulo, sea este visual, táctil o de otro tipo.

Figura 11 Las vías sensoriales del tacto y de la visión

Corteza cerebral Tálamo

Nervio óptico Retina

Luz

Célula ganglionar de la raíz dorsal Médula espinal

Receptor terminal

Vía aferente

Hipófisis

Tracto óptico

Area visual occipital

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Figura 12 Imágenes obtenidas mediante tomografía computarizada de la actividad cerebral durante diferentes tareas

Estimulación Visual

Ojos cerrados

Luz Blanca

Estimulación Auditiva

Control

Escena compleja

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad tiene como principal objetivo dar una idea general de cómo está organizada la enorme cantidad de neuronas en el cerebro y mostrar con algunos ejemplos que las vías neuronales que se activan con distintos estímulos (ej: luz y tacto) llegan a diferentes centros del cerebro. Relacionar este hecho con el problema planteado anteriormente sobre cómo distingue el cerebro los diferentes estímulos. Primero, explicar a los estudiantes que hoy día existen técnicas de exploración que permiten observar la actividad cerebral en vivo, y hacer énfasis en su impacto en el conocimiento de la fisiología cerebral. Es importante recalcar las posibilidades de estudio de la actividad cerebral que han abierto las nuevas técnicas de exploración no invasivas, ya que permiten observar las regiones del cerebro que se activan durante distintas tareas. Hacer el contraste con los procedimientos antiguos que se basaban en la observación del efecto de lesiones, ya sea durante actos quirúrgicos o autopsias. Enfatizar que el objetivo fundamental de esta actividad es mostrar que los diversos estímulos nerviosos llegan a distintas regiones del cerebro. Los alumnos y alumnas deben inferir de estas imágenes que existen vías específicas dirigidas a cada uno de estos centros cerebrales. Explicarles que lo que distingue a las señales que provienen del ojo, del oído o de la piel es la vía neuronal que se activa y que llega a un centro cerebral específico para su procesamiento. Finalmente, se concluye la actividad con esquemas de las vías neuronales visuales y táctiles provenientes de un dedo, para concretar los conceptos planteados en la actividad anterior.

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Actividad 4

Observar imágenes de la actividad cerebral durante el uso del lenguaje, para apreciar la complejidad de uno de los procesos mentales más característicos del hombre. Ejemplo

El profesor o profesora muestra las siguientes imágenes de exploración dinámica del cerebro de individuos durante tareas relacionadas con distintos aspectos del lenguaje, para que los estudiantes aprecien que se activan diferentes regiones. Se les explicará que estas regiones están involucradas en la integración de las señales nerviosas que se producen durante esas tareas. Las observaciones se resumen en un esquema y se promueve una discusión donde los estudiantes planteen qué creen ellos o ellas acerca del aporte de estas observaciones al conocimiento sobre el funcionamiento del cerebro. El docente debe guiarlos para que aprecien que la actividad mental relacionada con el lenguaje la llevan a cabo grupos neuronales localizados en distintas regiones, pero que deben interactuar entre sí para producir el lenguaje. Mencionar que el mecanismo por el cual esto ocurre es aún desconocido, aunque las nuevas técnicas han permitido grandes avances al poder observar el cerebro en actividad. Preguntar qué otras tareas les parecería interesante estudiar con estas técnicas.

Figura 13 Zonas cerebrales que se activan durante diferentes aspectos del lenguaje

Leyendo

Escuchando

Corteza de asociación visual

Corteza visual primaria

Hablando

Area de Broca

Cisura paretotemporal

Corteza temporal

Pensando

Area motora suplementaria

Corteza frontal inferior

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad pretende que los estudiantes aprecien la complejidad del funcionamiento del cerebro y la potencia de las técnicas de exploración actuales. Explicar previamente que las nuevas técnicas de producción y procesamiento de imágenes han permitido observar el cerebro en acción e identificar regiones específicas asociadas con el pensamiento y las sensaciones. La tomografía de emisión de positrones (TEP) usada en las observaciones de las figuras 12-13 es un sistema no invasivo de imagen que permite observar la actividad mental, tal como la de leer, hablar y pensar, a través de visualizar los cambios locales en la irrigación sanguínea y el metabolismo que la acompañan. Explicar que el cerebro contiene una red neuronal tridimensional que funciona como un todo en la integración de las señales neuronales, pero subdividiendo los componentes de cada tarea en diferentes grupos neuronales. Esto es lo que se observa en el manejo de los distintos aspectos del lenguaje que aparecen en cada imagen de la figura 13. Así también, los diferentes comportamientos son controlados por diferentes regiones cerebrales. Mencionar que Paul Broca y Carl Wernicke fueron los primeros en sugerir que diferentes regiones del cerebro están involucradas en el procesamiento de diferentes aspectos del lenguaje. Mencionar que se han realizado observaciones similares en otras tareas y procesos. Otro ejemplo es el proceso de la visión. Pacientes con daño en distintas regiones de la corteza visual tienen anomalías en la percepción del color mientras que se mantiene el discernimiento de la forma. Esto se explica porque en la corteza visual ciertas neuronas son activadas por la forma del objeto mientras otras son activadas por el color pero no por la forma. La especialización en regiones parece ser un principio general de organización de la corteza cerebral ya que se han identificado diferentes regiones especializadas en diferentes funciones mentales. Sin embargo, es característico del cerebro la integración de las señales en varias regiones interconectadas entre sí. Esto lo hace utilizando algunas de estas regiones en paralelo (activas al mismo tiempo) mientras otras se relacionan en serie (secuencias de actividades en el tiempo). También procesos mentales tales como la percepción, el pensamiento, el aprendizaje, la memoria involucran la activación de distintas regiones del Sistema nervioso (SN) en conjunto. Estos serían procesados en distintas regiones cerebrales interconectadas. La tarea cognitiva más simple requiere de coordinación de varias áreas cerebrales, cada una a cargo de alguna subdivisión del conjunto. Así, las subdivisiones y la localización de funciones es la estrategia clave en el sistema nervioso. Para reforzar esta noción de manera más general explicar que el cerebro contiene al menos dos clases de mapas ubicados en regiones distintas. Uno para las percepciones sensoriales y el otro para las órdenes motoras. Estos dos mapas están interconectados. La actividad proveniente de receptores periféricos que recogen información del ambiente es integrada por el cerebro dando origen a percepciones. Sobre la base de esta integración, el cerebro genera movimientos coordinados de músculos. Los estudiantes deben apreciar que para que el comportamiento motor sea adecuado a los estímulos que se reciben en el área sensitiva debe existir comunicación entre estas dos áreas del cerebro y que esto se realiza por interconexiones neuronales. La complejidad del comportamiento se hace evidente en nuestra capacidad de percepción, nuestra memoria y nuestra capacidad para actuar apropiadamente. Estas funciones son el resultado de la actividad específica y coordinada de un enorme número de neuronas. Se estima que el cerebro humano posee 1011 neuronas.

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Actividad 5

Hacer inferencias y conjeturas sobre el mecanismo del potencial de reposo, en base a información y esquemas funcionales.

Ejemplo

Presentar a los alumnos y alumnas información sobre la composición de iones intra y extracelular, e incitarlos a que propongan mecanismos que expliquen cómo se forman las gradientes de sodio y potasio. Recuperando conocimientos de 1º Medio preguntar cómo podrían pasar selectivamente ciertos iones a través de la membrana. Luego mostrarles un esquema funcional como el de la figura 14 donde se pueda inferir la función de la bomba de sodio-potasio en la generación de la gradiente de estos iones y la función de los canales iónicos en la permeabilidad selectiva de la membrana al potasio. Hacer notar que existen muchos más canales de potasio que de sodio y explicar que la membrana es muy poco permeable a los aniones. Con estos antecedentes, el profesor o profesora guiará a los estudiantes con preguntas para que infieran que el potasio fluye hacia afuera de la célula movido por su gradiente de concentración dejando atrás aniones para los cuales la membrana presenta una menor permeabilidad. Los alumnos y alumnas deben lograr inferir, con ayuda del docente, que esto produce una separación de cargas eléctricas que determina la existencia de un potencial de membrana (potencial de reposo).

Tabla 2 Composición iónica del medio intra y extracelular en una célula nerviosa

Tipos de iones K+

Concentración en el citoplasma (mM)

Equilibrio potencial (mV)

400

-75

440

+55

560

-60

385

Na + Cl A - (aniones orgánicos)

Concentración en el medio extracelular (mM)

INDICACIONES AL DOCENTE

La actividad pretende dar una imagen concreta y simplificada de los mecanismos que originan el potencial de reposo y el potencial de acción. Así podrán recuperar sus conocimientos sobre la estructura de la membrana plasmática y lograrán un mayor entendimiento acerca de cómo se integra el nivel molecular al nivel fisiológico. Al final, los estudiantes comprenderán que la estrategia general del sistema nervioso es utilizar la energía de los diversos estímulos para abrir canales que permiten el flujo de iónes a través de la membrana, transitoriamente, produciendo así impulsos de corriente eléctrica.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

Figura 14 Distribución asimétrica de iones a través de la membrana plasmática originada por la bomba de sodio-potasio y papel de los canales iónicos en el potencial de membrana

Potencial de reposo Canal sodio siempre abierto

Potencial de acción Bomba de Na +-K +

Canales iónicos de compuerta (se abren y cierran)

Milivoltios

Registro eléctrico Potencial de membrana

Para explicar el potencial de reposo de manera simplificada es importante considerar sólo dos elementos: 1) La bomba de sodio y potasio establece una gradiente de concentración de estos iones entre el medio extracelular y el intracelular. Al transportar sodio hacia afuera de la célula y potasio hacia adentro, mantiene una concentración intracelular de sodio 10 veces menor que la externa y de potasio 50 veces mayor que la externa. Gasta energía (ATP) para mantener esta gradiente química. 2) La membrana es permeable al potasio porque posee canales de potasio que están siempre abiertos (canales de potasio de un tipo diferente a los que se activan durante el potencial de acción), pero es mucho menos permeable a los iones Na+ y aniones como el Cl-. La alta concentración de potasio intracelular hace que este ión difunda por los canales hacia afuera de la célula, dejando atrás los aniones que no pueden atravesar la membrana fácilmente. Así, el interior de la membrana se hace negativo respecto del exterior. El sodio tiene una gran tendencia a entrar a la célula impulsado por su gradiente de concentración y por la atracción que ejercen las cargas negativas en el interior de la membrana. Sin embargo, el sodio no disipa el potencial de membrana porque los canales de sodio abiertos en reposo (que no se incluyeron en el esquema) son muy pocos y, por lo tanto, la membrana es mucho menos permeable a este ión.

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Los estudiantes no deben aprenderse de memoria las concentraciones iónicas. En cambio, es importante aprovechar la actividad para estimular el razonamiento, guiándolos por medio de preguntas para que hagan inferencias, apliquen sus conocimientos previos y saquen sus propias conclusiones. Para esto, primero se les mostrará la tabla 2 con las diferencias de concentración de iones a través de la membrana y luego el esquema de la figura 14 que ilustra la presencia de canales de potasio y de sodio, y la actividad de la bomba de sodio-potasio. Explicarles que la membrana lipídica no es permeable a los iones, porque éstos al ser cargados positiva o negativamente no pueden disolverse en medios lipídicos. Luego se estimulará a los alumnos y alumnas a que hagan conjeturas sobre cómo se produce la separación de cargas positivas y negativas que origina el potencial de reposo. Guiarlos paso a paso haciendo preguntas tales como: ¿Cómo pueden cruzar los iones la barrera lipídica que es impermeable a ellos? ¿De qué manera se produce la gradiente de concentración de estos iones? ¿Cuál es la dirección del flujo de los iones potasio y sodio considerando sus gradientes de concentración? ¿Cómo se produce la separación de cargas positivas y negativas a través de la membrana? ¿Qué pasaría si la bomba de sodio-potasio fuera inhibida? ¿Qué pasaría si la membrana se hiciera violentamente permeable al sodio? Esta última pregunta es útil para introducir el mecanismo que origina el potencial de acción. Para facilitar la comprensión de los procesos involucrados en la generación del potencial de reposo y la generación del potencial de acción los estudiantes podrían dibujar modelos. Concluyen que la diferencia de potencial resulta de una distribución desigual de cargas a través de la membrana y que ésta se hace posible por la diferencia de concentración de Na+, K+ y aniones entre el espacio intra y extracelular, cuya mantención requiere energía.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

Actividad 6

Hacer conjeturas e inferencias sobre el mecanismo que origina el potencial de acción aplicando conocimientos previos.

Ejemplo

El profesor o profesora pregunta sobre qué pasaría con el potencial de reposo si de repente entrara una gran cantidad de sodio. Luego presenta los gráficos de la figura 15 sobre los cambios de permeabilidad a los iones sodio y potasio y su relación con el potencial de acción. Los estudiantes deben analizar y describir estos cambios en esquemas funcionales, como los de la figura 16, aplicando sus conocimientos sobre canales iónicos. Se les explica que ciertos canales se encuentran

Figura 15 Cambios en la permeabilidad de la membrana a los iones sodio y potasio en relación al potencial de acción

normalmente cerrados y sólo se abren cuando el potencial de membrana se despolariza (se hace menos negativo) y sobrepasa un cierto nivel (umbral). Estos potenciales de membrana ya

Potencial de membrana (en mV)

fueron mencionados como potenciales de receptor producidos en la región que recibe las señales del ambiente o de otras neuronas. Se explicará que en la región que recibe señales no se originan potenciales de acción porque Tiempo (en ms)

no existen ahí canales de sodio en cantidad suficiente para producir la respuesta. Llevar a los estudiantes a concluir que el potencial de acción

Permeabilidad de la membrana a iones

resulta del movimiento secuencial de iones sodio y potasio a través de canales en la membrana, tal como se ilustra en la figura 16. Tiempo (en ms)

Na + K+

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Figura 16 Esquema funcional de la permeabilidad de la membrana plasmática durante el potencial de acción

Canales iónicos de compuerta (se abren y cierran) durante el potencial de acción

Registro del potencial de membrana

Osciloscopio

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Impulso nervioso

INDICACIONES AL DOCENTE

Hacer énfasis en las siguientes nociones: a) En una solución iónica la corriente eléctrica es llevada por iones, cationes y aniones. Las señales eléctricas son producidas por cambios en el flujo de corriente hacia adentro y afuera de la célula, llevando el potencial eléctrico a través de la membrana lejos de su estado de reposo. b) Los flujos de corriente al interior y al exterior de la célula son controlados por canales iónicos que atraviesan la membrana. Los canales iónicos son de dos tipos: con y sin compuerta. Los canales sin compuerta están continuamente abiertos y no son modificados por factores externos a la célula. Su función principal es la generación del potencial de reposo. Los canales con compuerta, en cambio, pueden abrirse y cerrarse. La mayoría de los canales con compuerta están cerrados cuando la membrana está en reposo, y se abren bajo las influencias de estímulos (potencial de membrana despolarizado y efecto de ligandos como neurotransmisores). c) La separación de cargas a través de la membrana cambia cada vez que hay un flujo neto de iones hacia adentro o afuera de la célula, modificándose así el potencial de membrana. Explicar que una disminución de las cargas negativas al interior de la célula se llama despolarización (ej: desde -70 mV a -55 mV ) mientras que un aumento se llama hiperpolarización (ej: desde -70 mV a -90 mV). Ocurre despolarización frente a señales que estimulan la actividad neuronal mientras que hiperpolarización se produce frente a señales que inhiben la actividad neuronal. En el potencial de acción se produce una entrada de Na+ que agrega cargas positivas en el interior de la neurona, haciendo que la diferencia de potencial alcance a +40 mV en el interior de la célula. La separación de cargas se invierte con respecto al potencial de reposo. Relacionar los flujos de sodio y potasio con el potencial de acción como una señal eléctrica del tipo todo-o-nada.

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3. Sinapsis y neurotransmisores

Actividad 1

Representar esquemáticamente una sinapsis y describir la transmisión del mensaje nervioso por medio de neurotransmisores.

Ejemplo

Alumnas y alumnos examinan una fotografía electrónica de una sinapsis entre neuronas, presentada por el profesor o profesora, y realizan un esquema rotulado indicando las neuronas pre-sináptica y post-sináptica, el espacio sináptico, las vesículas sinápticas, el neurotransmisor y los receptores postsinápticos. El docente explica en forma simple su funcionamiento, utilizando una figura como la presentada a continuación. Redactan en una frase la forma en que el mensaje nervioso se transmite de una neurona a otra.

INDICACIONES AL DOCENTE

Los estímulos sensoriales (calor, presión, estiramiento) que activan a neuronas sensoriales y los estímulos químicos (neurotransmisores) liberados por las neuronas presinápticas, son recibidos en una región especial de la neurona, llamada superficie receptiva. En esta región se encuentran proteínas receptoras que transforman (transducen) los estímulos en un flujo de iones a través de la membrana. El flujo de iones modifica el potencial de membrana, generando así una señal eléctrica. La magnitud de esta señal eléctrica es graduada, es decir, su amplitud y duración es proporcional a la intensidad del estímulo. Este fenómeno de transducción es la respuesta de la neurona a la presentación del estímulo, pero es importante hacer notar que no todos los estímulos generan un potencial de acción, que en definitiva es la señal que las neuronas conducen a otros sitios. El cambio de potencial inducido por el estímulo es muy localizado a una región de la neurona por el hecho de que los receptores están focalizados en esa región. Muchos estímulos deben integrarse para producir la señal que se propaga (el potencial de acción). El potencial de acción tiene la propiedad de propagarse por largas distancias. Cuando el potencial de acción alcanza la región terminal del axón, estimula la liberación de paquetes de transmisores químicos. Estos transmisores pueden ser pequeñas moléculas tales como glutamato o acetilcolina o pequeños péptidos como las encefalinas, y se encuentran concentrados en pequeñas vesículas llamadas vesículas sinápticas. Las vesículas sinápticas liberan estos transmisores al fusionarse (exocitosis) con una zona especializada de la membrana plasmática en la región presi-

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sinapsis y neurotransmisores

Figura 17 La sinapsis entre neuronas y su funcionamiento en la transmisión del impulso nervioso

Terminal Axonal

Moléculas de neurotransmisor (Ach: acetilcolina)

1. Llegada del potencial de acción a nivel sináptico. 1

2. Entrada masiva de iones Ca 2+ a través de la membrana presináptica.

Vesícula de almacenamiento

2 8 Ca 2+

3. Liberación por exocitosis, en el espacio sináptico de moléculas de neurotransmisor, (Acetilcolina) guardado hasta el momento en vesículas del citoplasma axónico.

7 3

4. Fijación de las moléculas de acetilcolina sobre los canales de Na+ de la membrana post sináptica, lo que provoca su apertura. 5. Entrada masiva de Na+ que desencadena la despolarización de la membrana postsináptica. 6. Nacimiento de un potencial de acción muscular postsináptico que se propaga a lo largo de la membrana de la fibra muscular.

Canal receptor

4 5

Fibra muscular

7. Hidrólisis de la acetilcolina por la enzima acetilcolinesterasa, cierre de los canales de Na+ quimiodependientes. 8. Recaptura por los terminales presinápticos de la colina liberada por la hidrólisis.

Detalle etapas 4, 5 y 6 Canal receptor de Ach está cerrado en condiciones normales Na +

Cuando la Ach se adhiere al sitio La Acetilcolesterasa hidroliza específico en el receptor, el canal se a la Ach provocando el cierre abre, permitiendo que el Na+ entre a la del canal célula postsináptica Acetilcolinesterasa

Ach

Receptor de Ach Despolarización de la célula post-sináptica

Na +

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náptica. La secreción por exocitosis del neurotransmisor sirve de señal de salida de la neurona que recibió el estímulo. La cantidad de transmisor liberado se gradúa según el número y la frecuencia de los potenciales de acción que llegan a este terminal axonal. El neurotransmisor difunde a través del espacio intersináptico hacia la célula postsináptica, donde al unirse a proteínas receptoras específicas inducirá la apertura o el cierre de canales, resultando en un potencial exitatorio (despolarización) o inhibitorio (hiperpolarización) dependiendo del receptor y del tipo de corriente eléctrica (por flujo iónico) que se origine. Es importante mencionar en este punto que los receptores son, en muchos casos, canales iónicos, es decir los neurotransmisores actúan directamente sobre el canal iónico.

Actividad 2

Analizar la función integradora de señales en la neurona post-sináptica.

Ejemplo

Los alumnos y alumnas analizan un esquema funcional como el siguiente e interpretan los efectos de estímulos excitatorios e inhibitorios sobre los cambios en el potencial de reposo. Concluyen que existen dos tipos de sinapsis y que la neurona integra las señales que llegan a través de ellas bloqueando o desencadenando potenciales de acción.

Figura 18 Esquema de la función integradora de la sinapsis

Estimulación de la neurona A

Neurona A

Estimulación de la neurona B

Neurona B

Cono axonal

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad complementa la del arco reflejo presentada anteriormente en esta unidad. Debe hacerse la conexión con el circuito inhibitorio de los músculos antagonistas que tienen que relajarse para que se produzca el movimiento reflejo.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Sinapsis y neurotransmisores

Actividad 3

Informarse en la bibliografía sobre los principales neurotransmisores cerebrales y drogas que afectan el comportamiento. Ejemplo

Los estudiantes buscan en la bibliografía disponible información sobre los principales neurotransmisores y sobre los mecanismos de acción de drogas sicofármacos a nivel de la sinapsis. Se pueden estudiar, por ejemplo, las enfermedades mentales como depresión o enfermedad bipolar y sindromes como el premenstrual. Presentan los datos en tablas y esquemas como los siguientes.

INDICACIONES AL DOCENTE :

Antes de realizar esta actividad consultar el Anexo sobre sicofármacos.

Tabla 3 Principales neurotransmisores Neurotransmisor

Acción

Comentarios

Acetilcolina

Neurotransmisor de las neuronas motoras medulares y de algunas vías neuronales en el cerebro.

Se degrada en la sinapsis por la acetilcolinesterasa; bloqueadores de esta enzima son venenos poderosos.

Usado en ciertas vías nerviosas en el cerebro y en el sistema nervioso periférico; causa relajación en los músculos intestinales y contracción más rápida del corazón.

Relacionado con epinefrina.

Dopamina

Neurotransmisor del sistema nervioso central.

Involucrado en la esquizofrenia. La causa de la enfermedad de Parkinson es la pérdida de neuronas dopaminérgicas.

Serotonina

Neurotransmisor del sistema nervioso central involucrado en el control del dolor, el sueño y el humor.

Ciertos medicamentos que elevan el estado de ánimo y contrarestan la ansiedad actúan aumentando los niveles de serotonina.

Aminoácidos Glutamato

Neurotransmisor excitatorio más común en el sistema nervioso central.

Algunas personas presentan ciertas reacciones al consumir alimentos que contienen glutamato de sodio, porque éste puede afectar al sistema nervioso.

Glicina Ácido gama aminobutírico (GABA)

Neurotransmisores inhibidores.

Drogas benzodiazepínas, usadas para reducir la ansiedad y producir sedación, imitan la acción del GABA.

Usados por ciertos nervios sensoriales, especialmente en las vías del dolor.

Sus receptores son activados por drogas narcóticas: opio, morfina, heroína, codeína.

M o n o a m i n as Norepinefrina

Péptidos Endorfinas Encefalinas Sustancia P

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Figura 19 Etapas de la función sináptica que pueden afectarse por drogas

Neurona pre-sináptica

Etapas perturbadas

Mecanismos de acción posibles Mecanismos de acción

Producción de neurotransmisor

1. Inhibición de las enzimas responsables de la síntesis

Precursor 1

Neuro transmisor

2 Almacenamiento y liberación de neurotransmisor 6

2. Fuga de neurotransmisor fuera de las vesículas. 3. Bloqueo de su liberación en el espacio sináptico. 6. Bloqueo de la recaptura.

Receptor

Inactivación del neurotransmisor

5. Inhibición de las enzimas que degradan el neurotrasmisor.

Fijación en el receptor

4. Imposibilidad de acción del neurotransmisor

Neurona Postsináptica EFECTOS DE LAS ENCEFALINAS Y MORFINA EN EL CONTROL DEL DOLOR Potencial de acción Potencial de acción

Neurona presináptica

Mensaje nervioso inhibido

Mensaje nervioso parcialmente inhibido

Receptor de encefalina

Morfina

Encefalina Receptor del neurotransmisor Neurotransmisor liberado Neurona moduladora

Neurotransmisor no liberado Neurona postsináptica

Encefalina

Inhibición intensa y prolongada por morfina

Inhibición fugaz por encefalina

EJEMPLOS DE ESTIMULACIÓN DE LA FUNCIÓN SINÁPTICA POR DROGAS Neurona presináptica Anfetamina

Dopamina

aptu

Dopamina

Cocaína

Rec

Anfetamina estimula la liberación de dopamina y bloquea su recaptura.

Neurona postsináptica

La cocaína bloquea el reciclaje de dopamina, que así permanece más tiempo en la sinapsis, activando de manera mantenida sus receptores.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento

4. Vías aferentes y eferentes

Actividad 1

Establecer relaciones entre estructura y función del ojo y realizar experiencias sobre interpretaciones visuales y sobre anomalías visuales producidas por lesiones nerviosas.

Ejemplo

Los alumnos y alumnas examinan un esquema anatómico del ojo y recuperan sus conocimientos de física de la visión y sus defectos estudiados en 1º Medio. El docente plantea el problema de cómo se transforma el estímulo luminoso en impulso nervioso. Explica solamente que la luz activa un pigmento en los fotorreceptores que finalmente produce cambios en el potencial de membrana (en este caso la luz produce una respuesta hiperpolarizante) y que por medio de una serie de sinapsis en la retina alcanzan las células ganglionares que forman el nervio óptico. Con el fin de ilustrar que la percepción visual es en gran parte determinada por la actividad del cerebro, el docente realiza experiencias de efectos visuales que producen percepciones diferentes de las dimensiones y el color del objeto, tomando ejemplos de la literatura o las imágenes de la figura 20. Posteriormente, examinan alteraciones en el campo visual producidas por lesiones en diferentes partes del tracto óptico, tales como las que se presentan en la figura 21.

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Figura 20 Imágenes de efectos visuales

¿Esferas o cavidades?

De: Brown y Herrstein, 1975

Se ven esferas o cavidades según se imagine que la luz viene de arriba o de abajo. Dar vuelta la página o cambiar mentalmente la posición de la fuente de luz.

Medir la imagen de la mujer que aparece como más pequeña, para convencerse que es del mismo tamaño en las dos figuras.

Figura 21 Efectos de lesiones en el tracto óptico sobre el campo visual

Efecto de las secciones de vías ópticas en el campo visual O. I.

O.D.

Retina temporal Retina nasal

sección en 1 3

Nervio óptico 1 Quiasma óptico

sección en 2 2

Tracto óptico sección en 3

sección en 4

Área de proyección visual Área psico-visual Centro visual

Hemisferio cerebral Corteza occipital

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Vías aferentes y eferentes

INDICACIONES AL DOCENTE

Es importante que el profesor o profesora haga un repaso de las nociones de óptica necesarias para entender el funcionamiento del ojo, ocupando el material de los planes y programas de Física de 1º Medio. También debe hacer énfasis que la visión no es solamente una fotografía de la realidad sino que hay una integración de la actividad en el área visual del cerebro. Explicar que la visión es el más complejo de todos los sistemas sensoriales. La experiencia de las lesiones muestra la precisión de las conexiones nerviosas en relación a la superficie receptora en el ojo. La complejidad del proceso de la visión se ve reflejada en el número de fibras nerviosas. Mientras el nervio auditivo contiene cerca de 30.000 fibras nerviosas el nervio óptico contiene un millón. Esto es más que todas las fibras sensitivas que entran a la médula espinal. Debe considerarse primero que el mundo externo es proyectado en la retina como campos visuales. La imagen en la retina es una imagen invertida del campo visual (al igual que lo que ocurre en una cámara fotográfica). El campo visual es lo que ve cada ojo sin mover la cabeza. Con ayuda de las ilustraciones los estudiantes deben poder identificar las partes del campo visual que se forman en las regiones de la retina, nasal, lateral o temporal. Dividir para esto la retina en mitades a cada lado de la fovéola. Así, se observa que la mitad del campo izquierdo se proyecta en la mitad nasal de la retina del ojo izquierdo y en la mitad lateral de la retina del ojo derecho. Mostrar la experiencia del punto ciego para hacer notar dos hechos interesantes. Primero, que normalmente no experimentamos en nuestra visión un área ciega, lo cual es una evidencia de la complejidad del procesamiento para producir la visión. La luz que proviene de un sólo punto en el campo visual binocular entra a ambos ojos y no experimentamos el punto ciego. El punto ciego es un lugar donde “vemos” lo que no existe en la retina. En segundo lugar, se puede preguntar después de esta experiencia ¿qué le pasa a una persona cuando tiene un daño en la retina? La persona generalmente no es consciente de este daño por el mismo motivo que no vemos el punto ciego, a menos que se le haga un examen especial. Además, deben notar que el punto ciego se experimenta como que no hay nada y no como un punto oscuro. Así sería la ceguera. Por otro lado, recordar de sus clases de óptica en 1º Medio que la imagen que se proyecta sobre la retina es invertida. Sin embargo, vemos en la posición correcta por efecto del procesamiento de la imagen en el cerebro. Estos ejemplos complementan los ejemplos de los efectos visuales que se han presentado en las figuras. Preguntar: ¿Qué significa que las lesiones a distintos niveles de los nervios ópticos causen defectos predecibles en el campo visual de cada ojo? Esto ilustra la correspondencia de las regiones que se excitan en la retina con las fibras que llevan esa información. El daño en el quiasma óptico puede producirse por un tumor de la glándula pituitaria que al crecer lo comprime.

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Actividad 2

Estudiar la relación entre estructura y función de fotorreceptores, como ejemplo de receptor sensorial que traduce un estímulo ambiental en una señal neuronal.

Ejemplo

Los estudiantes reciben información en una tabla que resume la función de conos y bastoncitos. Luego, el profesor o profesora muestra esquemas de su estructura y menciona que contienen un pigmento visual que capta la luz. Explica lo siguiente: a) que el pigmento visual consiste en una molécula de vitamina A unida a una proteína; b) que está alojado en una estructura (discos) diseñada para captar la luz con máxima eficiencia; c) que la luz produce un cambio en el pigmento visual que se traduce en cambios en los flujos iónicos y en el potencial eléctrico del fotorreceptor. El fotorreceptor, a su vez, a través de varias neuronas y sinapsis estimula a las células ganglionares que, finalmente, conducen los potenciales de acción al cerebro. Mediante preguntas llevar a los alumnos y alumnas a que apliquen su conocimiento para que infieran que deben haber canales en la membrana que responden a los estímulos de la luz. El docente pregunta cómo podría ser esto si los canales están en la membrana plasmática alejados del sitio donde está el pigmento visual. Debe llevarlos a concluir que los canales son regulados por eventos intracelulares que se gatillan por los cambios en el pigmento visual. Hará finalmente una analogía con otros receptores sensoriales explicando que en todos se abren o cierran canales en la superficie que recibe la señal de entrada al sistema nervioso.

Tabla 4 Comparación de las funciones de los fotorreceptores: bastones y conos

Bastoncitos

Conos

Alta sensibilidad, especializados en la visión nocturna No ve colores

Sensibilidad menor, especializados en la visión diurna y en la visión de colores

Mayor cantidad de pigmento visual, captura más luz Sólo un tipo de fotopigmento: no discrimina colores

Menor cantidad de fotopigmento Tres tipos de pigmento visual, cada uno en células distintas. Visión de colores

Mayor amplificación de la señal luminosa. Un simple fotón puede evocar una señal eléctrica detectable.

Menor amplificación. Requiere cientos de fotones para producir una señal eléctrica similar

Están saturados durante el día Mayor número (20 bastones: 1 cono)

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Vías aferentes y eferentes

Figura 22a Diversidad en los receptores sensoriales y sus mecanismos de respuesta a estímulos

Tamaño

Nervio periférico

Mecanoreceptor, dolor, temperatura Propiocepción (extremidades y tronco)

>1000 mm

100 mm

Propiocepción (mandíbula)

1 mm

Olfato

100 mm

Gustación

100 mm

Audición y laberinto vestibular

100 mm

Visión

Discos

Segmento externo

Espacio citoplasmático

Membrana plasmática

Segmento externo

Cilios

Segmento interno

Terminal sináptico

Terminal sináptico Bastoncito

Cono

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Figura 22b Diversidad en los receptores sensoriales y sus mecanismos de respuesta a estímulos Presión

Mecanosensor La presión abre los canales iónicos Canales de Sodio sensibles a presión

Temperatura

Enzima

Termosensor La temperatura incide en una enzima de la membrana que controla un canal iónico

Electrosensor Una carga eléctrica abre los canales iónicos

Canal de Na + voltaje dependiente Molécula saboreada u olfateada

Canal de Na + o K +

Quimiosensor Una molécula saboreada u olfateada se acopla a un receptor iniciando un estímulo que controla el canal iónico a través de mensajeros intracelulares

Luz

Fotosensor La luz altera la proteína de la membrana, produciendo una señal intracelular que controla un canal iónico. GMP c canal mediador del Na +

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Vías aferentes y eferentes

INDICACIONES AL DOCENTE

En la actividad anterior se pretende que los alumnos y alumnas entiendan el concepto de transducción como un proceso que transforma estímulos ambientales en señales eléctricas. En este caso, la absorción de la luz y su transducción en señales eléctricas se lleva a cabo en los fotorreceptores. La transducción se inicia con un cambio en moléculas sensibles a la luz alojadas en una región de las células fotorreceptoras y se traduce finalmente en cambios en los flujos iónicos a través de la membrana plasmática. La activación de estas células receptoras se transmite a las neuronas que forman el nervio óptico y llevan las señales eléctricas al cerebro, donde son procesadas para formar las imágenes del mundo externo. La retina humana tiene dos tipos de fotorreceptores: bastoncitos y conos, que son una clase especial de neuronas, con regiones funcionales parecidas. Su eficiencia para capturar luz se basa en la estructura de la región donde alojan el pigmento visual, llamada segmento externo. El pigmento fotosensible está asociado a una proteína de membrana ubicada en un sistema de pliegues de membrana, llamada discos, que aumenta enormemente la superficie y por lo tanto puede alojar gran cantidad de esta proteína con el pigmento visual. Cada disco puede contener más o menos 108 moléculas de pigmento. El hecho de que los discos estén dispuestos en pilas de moneda provee mayor eficiencia para capturar la luz, ya que si un fotón no es absorbido por el disco superior puede ser capturado en el siguiente. La absorción de la luz por el pigmento visual gatilla una serie de eventos bioquímicos en el citoplasma que finalmente provocan cambios en el flujo de iones a través de la membrana. Hacer una comparación entre distintos receptores, en términos del tamaño de la célula receptora y enfatizar que en todos los casos se producen cambios en el flujo de iones a través de la membrana en respuesta a los estímulos (figura 22b).

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Actividad 3

Informarse sobre el control nervioso de los distintos tipos de músculo, sus funciones en el organismo, y reconocer manifestaciones de su actividad en situaciones cotidianas. Ejemplo

Alumnas y alumnos realizan un trabajo de investigación bibliográfica o en internet sobre el sistema nervioso somático y autónomo y los tipos de músculos que inervan. Presentan sus datos en esquemas como el de la siguiente figura, que presentará el docente como síntesis.

INDICACIONES AL DOCENTE

Es importante que los estudiantes tengan claro los siguientes conceptos: Los impulsos nerviosos generados en la superficie sensorial son conducidos a través del sistema nervioso periférico al sistema nervioso central. Los impulsos nerviosos generados en el cerebro y la médula espinal llegan al sistema motor. El sistema nervioso tiene componentes somáticos y autonómicos. El sistema somático incluye: a) las neuronas sensitivas que inervan la piel, los músculos, y las articulaciones. Lleva impulsos nerviosos sensoriales de postura corporal y del medio externo; b) las neuronas motoras, que inervan el músculo esquelético. La división autonómica del sistema nervioso periférico controla los músculos lisos (de las vísceras) y las glándulas exocrinas. Participa en las respuestas al estrés y en la homeostasis. Aun los comportamientos más simples involucran la actividad integrada de múltiples sistemas sensoriales, motores y de zonas integradoras en el sistema nervioso central. Cada uno de estos sistemas contiene estaciones sinápticas y cada uno está compuesto por subdivisiones distintas. Las vías nerviosas tienen una ordenación topográfica en base a su función. Muchas rutas se cruzan desde un lado para el otro del cuerpo. Complementar esta actividad con la observación de una grabación de video como la Colección Los Ciclos de la Vida, Sección: Integración: El sistema nervioso central, Volumen 11, cap. 21, que está entre los materiales a los que se puede acceder a través del Centro de Recursos del Aprendizaje (C.R.A.) de su unidad educativa. Puede consultar también los esquemas simples de los sistemas nervioso autónomo y somático que aparecen en el libro Invitación a la Biología. Curtis y Barnes, páginas: 623 y 627. El profesor o profesora debe plantear problemas para ser explicados con estos conceptos. Por ejemplo, pedir que se propongan explicaciones para el aumento de los movimientos estomacales en situaciones de miedo.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Vías aferentes y eferentes

Figura 23 Organización del sistema nervioso autónomo División Simpática

División Parasimpática

3 2

Craneal

4 Cervical

Cervical 16 5

Estómago 6

Torácica

Torácica 20

Ganglio celíaco 18 Vesícula biliar

Pancreas 19 Lumbar

Lumbar Hígado

Sacra 10

Ganglio mesentérico Inferior

Sacra

11 22 12

Inhibe la motilidad y secreciones intestinales

17 Estimulación de la digestión

Dilatación pupilar

Inhibición de la salivación

Contricción de los vasos sanguíneos

Dilatación bronquial

Aceleración de la frecuencia cardíaca

Estimula la secreción de las glándulas sudoríparas

Inhibición de la digestión

14 Estimulación de la salivación

21 Estimula la motilidad y secreciones del intestino

Estimula la producción y secreción de glucosa

15 Contricción de los bronquios

22 Contracción de vejiga urinaria

16 Disminución de la frecuencia cardíaca

23 Estimula erección del pene

10 Estimula la secreción de epidefrina y norepinefrina 11 Relajación de la la vejiga 12 Estimula la eyaculación 13 Contracción pupilar

18 Inhibe la secreción de hormonas y enzimas 19 Estimula la vesícula a secretar bilis 20 Estimula al pancreas para secretar insulina y enzimas digestivas

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Actividad 4

Investigar sobre la estructura de la unión neuromuscular, cómo se transmite el estímulo desde el nervio al músculo, aplicando los conocimientos adquiridos, y la estructura de la fibra muscular con su aparato contráctil. Ejemplo

Alumnas y alumnos buscan microfotografías de la unión neuromuscular, describen los componentes en esquemas, incluyendo el neurotransmisor y su receptor. Deben hacer una analogía con la sinapsis entre neuronas. Presentarles una figura que ilustre los diferentes niveles de organización del músculo esquelético, explicando de manera elemental el mecanismo de contracción muscular en base al motor molecular constituido por el sarcómero.

INDICACIONES AL DOCENTE

Orientar a los estudiantes para que en su trabajo aparezcan las siguientes nociones. a) El mecanismo de contracción muscular, ilustrando que el neurotransmisor provoca un cambio del flujo iónico en la zona de la placa neuromuscular que finalmente termina con un potencial de acción en el músculo. Esto lleva a un aumento del calcio intracelular que es el que gatilla la contracción de la fibra muscular. b) La estructura de la fibra muscular esquelética en los distintos niveles, desde músculo hasta el nivel molecular.

Actividad 5

Explicar los cambios de volúmenes y presiones del proceso de ventilación pulmonar, e ilustrar el control de la frecuencia respiratoria, reconociendo los elementos sensoriales, nerviosos y musculares. Ejemplo

El profesor o profesora recupera conocimiento anterior sobre la posición del diafragma, en imágenes radiográficas del tórax en inspiración y en espiración (ver Programa de Biología de Primer Año Medio, página 95). Muestra ilustraciones de los músculos torácicos y del aumento de volumen del tórax al cambiar la inclinación de las costillas. Preguntar a los estudiantes cómo creen ellos que se regula la actividad de estos músculos y cómo aumenta cuando el organismo necesita más oxigeno (por ejemplo, durante el ejercicio o esfuerzo). A través de analogías con el arco reflejo hacerles razonar para que infieran que deben haber receptores que informen al sistema nervioso de los requerimientos de oxígeno (o de la actividad metabólica) y que éste, luego de procesar la información, envíe señales motoras a los músculos de la respiración.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento • Vías aferentes y eferentes

Figura 24 Estructura del músculo esquelético

Tendón Músculo

Paquete de fibras musculares Tejido conectivo

Sarcolema Retículo sarcoplasmático

Núcleo

Miofribillas

Fibra muscular

Linea Z

Banda M

Mitocondria

Miofibrilla

Ba nd a I

Sarc

ómer

o Zona H Banda A Sarcómero

Linea Z

Banda M

Sacómero Banda A Zona H Banda A

Linea Z

Filamento de miosina

Filamento de Actina

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Evaluación Unidad 1 Objetivo de evaluación: Aplicar habilidades y conocimientos

a) Alumnas y alumnos analizan un documento aportado por el docente en el que se da a conocer la experiencia de Magendie (1783-1855) realizada en un sapo, que revela el circuito nervioso del reflejo miotático ilustrado en el esquema adjunto.

Ganglio espinal Ganglio espinal Raíz dorsal

Raíz dorsal P

Raíz ventral Raíz ventral P: Proximal D: Distal

Experimento 1: Al seccionar una raíz dorsal proximal y distalmente al ganglio espinal se observa insensibilidad total del territorio inervado por el nervio. Al estimular el nervio periférico no se observa respuesta de ningún tipo. Sin embargo, al estimular el segmento proximal se observan reacciones motoras y manifestaciones de dolor. Experimento 2: Al seccionar la raíz ventral se observa una parálisis total del territorio inervado por el nervio. El estímulo del segmento distal produce una contracción del músculo que antes se encontraba paralizado. En cambio, al estimular el segmento nervioso proximal a la médula espinal no se observa respuesta alguna. Explique cada una de estas observaciones aplicando sus conocimientos sobre la organización del sistema nervioso periférico y el arco reflejo.

Unidad 1: Control nervioso y comportamiento

b) Complete los registros eléctricos que se obtendrían en los osciloscopios frente a los estímulos que se muestran en las siguientes figuras, y explique su significado aplicando sus conocimientos sobre la polaridad de las neuronas.

Estimulación

Osciloscopio

Electrodo receptor

c) En el siguiente esquema se ilustran la tensión que se registra en los músculos extensores y flectores del brazo. Explique este fenómeno en base a sus conocimientos sobre los tipos de sinapsis.

Osciloscopio

Estimulación

Estimulación en el brazo

Tensión del músculo flector Tensión del músculo extensor

d) Realice un esquema de síntesis que muestre la vía de las señales nerviosas desde la región donde se recibe el estímulo hacia cada grupo muscular, extensor y flexor, con sus relevos sinápticos.

e) La siguiente fotografía representa un corte transversal de una sinapsis neuromuscular observada en el microscopio electrónico. Realice un esquema de conjunto de esta fotografía. Rotule las diferentes estructuras celulares.

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Objetivo de la evaluación: Verificar conocimientos

a) Explique brevemente: • En qué consiste el impulso nervioso, cómo se produce y se transmite a otras neuronas. Realice un esquema rotulado de las distintas regiones funcionales de la neurona. • Explique las características del impulso nervioso y cuáles de ellas reflejan la intensidad del estímulo. b) Corrija y explique las afirmaciones incorrectas: • La mantención del potencial de reposo requiere consumo de energía. • La estimulación de un nervio desencadena un potencial de acción independientemente de la intensidad del estímulo. • El potencial de acción varía en amplitud de acuerdo con la intensidad del estímulo. • Las señales nerviosas observadas en los nervios sensitivos y motores son similares. • La frecuencia respiratoria se regula por efecto de cambios en la composición de la sangre. • El potencial de acción va disminuyendo en magnitud a medida que se propaga por axones largos.

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U Unidad 2

Regulación de las funciones corporales y homeostasis

Orientaciones didácticas

En esta unidad se trata de dar una visión general del sistema de control endocrino y de la mantención del medio interno acuoso y salino del organismo a través de la función renal, uno de los aspectos más relevantes de la homeostasis. Es una oportunidad para recuperar conocimientos previos sobre distintos sistemas tratados en Primer Año Medio y profundizar en ellos presentando ahora los aspectos vinculados a la regulación de sus funciones. La función renal en el control de la homeostasis se trata con cierto detalle, dejando en claro por qué los riñones permitieron definitivamente el tránsito evolutivo de los vertebrados de la vida acuática a la terrestre, y exponiendo su regulación hormonal. Se fortalece el concepto de hormona y control endocrino con ejemplos que muestran sus relaciones con el sistema nervioso, especialmente en la condición de estrés.

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Contenidos Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis

1. Homeostasis y función renal 2. Regulación neuroendocrina

Aprendizajes esperados

•

Alumnas y alumnos saben y entienden que: El sistema endocrino regula múltiples procesos en el organismo a través de señales químicas vertidas a la sangre (hormonas). Estas señales modifican la actividad de las células capaces de captarlas (efectores). Es necesario mantener un ambiente interno relativamente constante (homeostasis) para asegurar una adecuada función celular. Esto se logra por múltiples procesos integrados. Ejemplos de estos procesos integrados son la mantención de la composición química del medio interno y la regulación de la temperatura corporal. Los riñones son los principales responsables de la mantención de la composición química de la sangre al eliminar los compuestos de desechos tóxicos, regular su concentración y controlar el contenido de agua (equilibrio hídrico) del organismo. El volumen de agua que se elimina diariamente por el riñón depende del estado de hidratación del organismo y se regula por acción de la hormona antidiurética, que controla el grado de reabsorción del agua filtrada libremente en el glomérulo. Las respuestas al estrés (comportamiento innato ante la amenaza) y el control de la temperatura implican una acción coordinada de los sistemas nerviosos y endocrino, con circuitos hormonales y nerviosos que involucran a las glándulas del hipotálamo y a las suprarenales.

Alumnos y alumnas mejoran su habilidades de:

• Razonar, inferir y hacer conjeturas, en base a conocimientos previos y problemas. • Utilizar distintas fuentes de información. • Interpretar gráficos, fotografías, dibujos y esquemas funcionales.

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis

1. Homeostasis y función renal Actividad 1

Describir el medio interno del organismo, discutir sobre su importancia, e identificar los principales factores que tienden a modificarlo y a regularlo, haciendo inferencias a partir de datos presentados en tablas y gráficos.

Ejemplo

El profesor o profesora presenta la definición de medio interno según Claude Bernard (1813-1878) como “conjunto de líquidos (linfa y plasma) del organismo”. Luego presenta la serie de datos que se muestran a continuación, con el fin de ilustrar el contenido hídrico y los principales constituyentes del plasma, el intersticio y el medio intracelular. Con estos datos y a través de preguntas, llevar a los estudiantes a que sugieran factores que pueden modificar el contenido de agua y de cada constituyente, recuperando nociones de nutrición y de metabolismo. Luego, los alumnos y alumnas analizan un experimento de intercambio entre las células y su medio, utilizando la experiencia clásica de los glóbulos rojos en diferentes soluciones de NaCl. Recuperan el concepto de osmosis. Discuten sobre la necesidad de mantener las condiciones isotónicas de la sangre para el funcionamiento de las células y sobre los factores que tienden a cambiar estas condiciones, recuperando conocimientos de biología celular de Primer Año Medio.

Figura 25 Diagrama de la distribución del agua del organismo

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Tabla 5 Pérdidas diarias de agua (ml)

Temperatura normal Piel (Pérdida insensible) Respiración (Pérdida insensible)

350

Clima caluroso

Ejercicio intenso y prolongado

350

250

650

1.400

1.200

500

Transpiración

100

1.400

5.000

Heces

100

23.000

3.300

6.600

Orina

Total

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta tabla se debe utilizar para estimular a los alumnos y alumnas a que deduzcan los factores principales que regulan el equilibrio hídrico: a) La ingesta de agua. Los estudiantes aprecian la cantidad de agua que debe ingerirse para mantener el equilibrio hídrico del organismo en las distintas condiciones ambientales y de actividad física. b) El volumen de orina: infieren que el principal mecanismo de regulación de la pérdida de agua es a través del control del volumen de orina en el riñón. Recordarles que el medio interno tiene un pH característico de 7,4 y que éste depende de la concentración de hidrógeno.

Figura 26 Diagrama de los constituyentes principales del plasma, el líquido intersticial y el intracelular

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis • Homeostasis y función renal

Figura 27 Efecto de la concentración de sal en el medio sobre las células

INDICACIONES AL DOCENTE

Para que esta actividad tenga sentido, es necesario dar las bases del proceso de osmosis. Recuperar los conceptos de solución, de mol y de presión osmótica tal como aparece en el Programa de Química de 2º Año Medio (Unidad 3, Disoluciones). Explicar que: 1) La osmolaridad es una relación entre la cantidad de soluto y de líquido de una solución y que el efecto osmótico depende del número de partículas en solución. 2) El efecto osmótico causa el flujo de agua entre el compartimento intracelular y extracelular. La membrana plasmática presenta una permeabilidad selectiva, es decir, es permeable al agua pero impermeable a ciertos solutos disueltos en agua. Cada vez que la concentración de solutos es mayor en un lado de la membrana que en el otro, pasa agua a través de la membrana hacia el lado de mayor concentración de solutos (osmosis) hasta alcanzar el equilibrio osmótico. En el caso de la célula, ésta se hincha o se deshidrata. El medio isotónico es aquel en el cual las células no sufren cambios en su contenido acuoso. El medio hipertónico causa aumento de volumen celular. El medio hipotónico causa disminución del volumen celular. El principal componente del plasma que determina la osmolaridad es el sodio.

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Actividad 2

Analizar experimentos de regulación del medio interno, proponer una definición de homeostasis, deducir la función del riñón y discutir posibles mecanismos de regulación.

Ejemplo

En los gráfico de las figuras 28 y 29 se muestra la tendencia del organismo a mantener el volumen hídrico y la concentración de sal en la sangre. Los estudiantes reconocen que debe haber un mecanismo de regulación que involucra al riñón. Especulan sobre posibles factores que podrían influenciar la función del riñón.

Figura 28 Fluctuaciones del débito urinario y del volumen del plasma producidos por ingesta masiva de agua

Unidad 2: Regulaciรณn de las funciones corporales y homeostasis โ ข Homeostasis y funciรณn renal

Figura 29 Fluctuaciones de la concentraciรณn de cloruro de sodio en el plasma y en la orina en relaciรณn a la ingesta de sal

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Actividad 3

Observar la estructura del nefrón y relacionarla con su función en la formación de orina.

Ejemplo

Observan al microscopio o en diapositivas de microscopía electrónica la zona glomerular de un nefrón apreciando el íntimo contacto capilar-nefrón que ocurre en el glomérulo. Luego examinan la zona de los túbulos urinarios apreciando las diferencias en su diámetro y las características de sus paredes. Recuperan conocimientos previos de 1º Medio sobre el riñón como órgano donde es producida la orina por procesos de filtración, secreción y reabsorción. Representan su estructura y el flujo de los elementos que se filtran y que se reabsorben, en un esquema funcional en el que se incluyan los sitios de regulación hormonal de formación de la orina. Se explicará que se reabsorbe cerca del 99% del agua y del sodio y que esta reabsorción es controlada hormonalmente, regulándose así el volumen y la composición del medio interno. Utilizar las figuras 30-31 para ilustrar la función del nefrón. Mostrar luego la función de las células epiteliales que tapizan los túbulos renales (figura 32).

Figura 30 Esquema del riñón ilustrando la localización del nefrón

Pirámides de Malpighi 2 1 Vena renal

Arteria renal

7 1 . Arteria Aorta 2 . Vena cava inferior

Ureter

3 . Cápsula suprarrenal Orina

4 . Riñón 5. Ureter 6 . Vejiga 7 . Uretra

Nefrón

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis • Homeostasis y función renal

Figura 31 Esquema del nefrón, su irrigación y su función en la formación de orina

Tubo contorneado proximal

Red de capilares

Nefrón

Tubo colector

1 2

Glomérulo Cápsula de Bowman

Arteria

Haza de Henle

Tubo colector

3 2

Vena

Tubo contorneado distal Nefrón

Na + Agua

Irrigación del Nefrón

Orina 1 . Filtración 2 . Reabsorción 3 . Reabsorción bajo control hormonal

Función

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad puede realizarse como clase magistral utilizando los esquemas en la secuencia propuesta. Debe quedar claro lo siguiente: cada riñón contiene cerca de 2.400.000 nefrones, cada uno de los cuales es capaz de formar orina. Por esto se puede entender la función renal examinando la función del nefrón. El nefrón está compuesto fundamentalmente de dos partes. Un glomérulo, donde ocurre la filtración del plasma, y un largo túbulo en el cual el líquido filtrado es transformado en orina. La función básica del nefrón es limpiar, clarificar o liberar la sangre de sustancias indeseables para el organismo, ya sea porque su exceso es tóxico (urea, ácido úrico) o inconveniente para el equilibrio hidrosalino y pH del medio interno (sales, agua, hidrógeno). Las sustancias que deben eliminarse en general incluyen productos del metabolismo (urea, ácido úrico). Otras sustancias, tales como los iones sodio, cloro, potasio e hidrógeno tienden a acumularse en el organismo. Es función del nefrón eliminar los excesos. Los mecanismos principales por los cuales el nefrón clarifica el plasma son: a) filtración de una gran cantidad de plasma (125 ml/min), desde los capilares del glomérulo hacia los túbulos renales; b) eliminación en la orina de las sustancias filtradas que son indeseables. Las sustancias útiles como el agua y los iones son en su mayor parte reabsorbidas durante el pasaje del filtrado por los túbulos. Aproximadamente el 90% del agua y del sodio filtrado se reabsorbe en

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Figura 32 Relación entre estructura y función de la célula epitelial renal

Capilar Peritubular

Epitelio Tubular

Lumen Tubular

Difusión Transporte Na Activo

Na + (-3m V.)

Na +

(-70m V.)

Zona ocludens Canales basales

Espacio intercelular

Membrana basal

el túbulo proximal de manera no regulada. El resto que pasa a los túbulos puede ser más o menos reabsorbido dependiendo de las condiciones de hidratación del organismo. El volumen de orina es aprox. 1 ml/min. Además, los túbulos secretan algunas sustancias, tales como potasio. Es decir, la mayoría de las sustancias que se eliminan en la orina provienen del fluido filtrado en el glomérulo (que no fueron reabsorbidas) y una pequeña parte de sustancias que fueron secretadas por las células de los túbulos renales. De la Tabla de la página 85 queda claro qué sustancias del plasma son las más clarificadas. Finalmente, debe relacionarse la estructura polarizada de las células epiteliales del túbulo renal con su función en el manejo de los electrolitos. Aplican así conocimiento adquirido en 1º Medio sobre células y el transporte a través de una membrana. Utilizando el esquema anterior, el profesor o profesora explica que la célula epitelial renal tiene dos superficies. Una que enfrenta el lumen del túbulo y otra dirigida hacia el interior del organismo. En cada superficie se encuentran diferentes proteínas que manejan el flujo de iones entre el lumen del tubulo renal y la sangre. En el ejemplo de la figura 32 se puede ver que la superficie luminal posee canales de sodio y potasio, en cambio la superficie basolateral contiene la bomba sodio-potasio.

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis • Homeostasis y función renal

Actividad 4

Explicar la regulación hormonal del volumen y concentración de orina como un ejemplo de control por retroalimentación.

Ejemplo

Alumnos y alumnas identifican factores que hacen variar el volumen de orina (diuresis) a través de observaciones de la vida corriente. Deducen, a partir del gráfico de la figura 28 que la cantidad de agua eliminada se regula según el estado de hidratación del organismo. En condiciones en las que se requiere conservar agua, por ejemplo durante la deshidratación, la orina que se produce es más concentrada, porque los túbulos renales reabsorben más agua, mientras que la que se produce luego de una gran ingesta líquida es más diluida, porque se reabsorbe menos del agua filtrada en el glomérulo (figura 33). Deducen que debe existir un mecanismo sensor de la concentración del plasma y que regula la cantidad de agua que se elimina. Mediante un esquema simplificado, como el de la figura 34, se les explica que el sensor está en el hipotálamo donde se secreta la hormona antidiurética que inhibe la reabsorción de agua en el túbulo colector.

Figura 33 El nefrón en la elaboración de orina isotónica o hipertónica

Orina hipotónica

Orina hipertónica

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Figura 34 Esquema del sistema de regulación del volumen de orina por la hormona antidiurética

Hipotálamo

Núcleo supraóptico

Estimulado por un fluido extracelular concentrado (exceso de Na+)

Sitios de acción de la hormona antidiurética secretada por la glándula pituitaria posterior

Exceso de reabsorción de agua compensa el exceso de concentración de fluidos extracelulares y el exceso de Na+

Orina de menor volúmen y mayor concentración

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis

2. Regulación neuroendocrina

Actividad 1

Analizar el funcionamiento neuro-hormonal en la coordinación e integración de los diversos procesos que se gatillan en situaciones de estrés, evidenciando el control por retroalimentación. El curso se organiza en pequeños grupos y cada uno elige uno de los siguientes temas para informarse en la literatura: regulación de la glicemia, la presión arterial, respuesta al frío y al calor, e integran esta información en términos de respuestas a situaciones de estrés. Identifican en cada caso el dominio nervioso y hormonal, el agente estresor, sus efectos y la función de preparar al organismo a una respuesta rápida frente a cambios en el medio Figura 35a Lo que ocurre cuando un individuo se expone a un frío intenso

externo que constituyen una amenaza a la sobrevivencia del organismo. Presentan los

Corteza cerebral

Termoreceptores centrales

Termoreceptores cutáneos

Respuesta voluntaria

Hipotálamo

moverse para calentarse

resultados de la inves-

Respuesta inconsciente tiritones

Ejemplo

Temperatura de la sangre

tigación en una corta disertación en base a esquemas funcionales (ejemplo: figura 35a). El profesor o profesora indica el tipo de regula-

Músculos del esqueleto Temperatura de la piel

ción por retroalimentación en los distintos ejemplos. Concluye la

Arteriolas cutáneas (vaso constricción)

Estímulo Vías nerviosas

Médula suprarenal (descarga de adrenalina)

actividad presentando un esquema de la interrelación neuro-

Músculos de la piel (piel de gallina)

hormonal ante una situación de estrés (figura 35b).

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Figura 35b Esquema del circuito neuro-hormonal del estrés

Entrada de la información

Información proveniente del medio externo

Información proveniente del medio interno

Integración de la información

Coordinación y ejecución

Corteza cerebral

Adaptación razonada del comportamiento

Sistema límbico

Elaboración de conductas emocionales

Hipotálamo

Bulbo raquídeo médula espinal

Coordinación de respuestas de tipo vegetativas Respuestas reflejas

Actividad 2

Reconocer las semejanzas y diferencias entre el control endocrino y el control nervioso. Ejemplo

El profesor o profesora presenta una figura (ver figura 3, Unidad 1) donde se ilustra esquemáticamente las modalidades de control ejercidos por los sistemas endocrino y nervioso. Guía al curso para identificar los elementos principales, tales como las señales químicas, las células que las producen y las que las interpretan, y la diferencia en la forma de transporte de la señal o información por largas distancias. Induce una discusión para establecer las diferencias entre los dos sistemas, apreciando que el sistema nervioso actúa más rápidamente pero también es más transitorio su efecto.

Unidad 2: Regulación de las funciones corporales y homeostasis

Evaluación Unidad 2

Objetivo de evaluación: Verificar conocimientos

Explique el balance hídrico y su regulación.

Objetivo de evaluación: Aplicar habilidades y conocimiento

Ejemplo 1 En la tabla se muestra la composición del plasma, el filtrado glomerular y orina. 1) ¿Qué características tiene el filtrado glomerular comparativamente con el plasma y con la orina? 2) ¿Cómo se explican las principales diferencias entre el filtrado glomerular y la orina? 3) Sintetice en un esquema funcional el funcionamiento del nefrón en el manejo de cada una de las sustancias analizadas en la tabla.

Constituyentes (g/l) Na + K

Proteínas Glucosa Urea Agua

Plasma

Filtrado glomerular

Orina

3,2

3-6

0,2

2-3

60 - 80

0,3

170 (litros/24 h)

1,5 (litros/24 h)

Ejemplo 2 Los siguientes gráficos muestran los efectos de la inyección de una solución hipertónica de NaCl o de un extracto de hipófisis sobre la producción de orina en un gato sometido a sobrecarga hídrica. En el gráfico A se observa la variación de la diuresis luego de la ingesta de 250 ml de agua sin otro tratamiento. Los gráficos B y C muestran los resultados de la inyección de una solución hipertónica de NaCl o de extracto de hipófisis respectivamente, administrados luego de la ingesta hídrica.

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Interprete cada uno de estos resultados aplicando sus conocimientos sobre la regulación de la producción de orina. ¿A qué se debería la semejanza de los resultados obtenidos en las condiciones experimentales B y C? ¿A qué nivel del nefrón se controla el volumen de orina?

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U Unidad 3

Biología humana y salud: higiene nerviosa

Orientaciones didácticas

Esta unidad recupera los conceptos sobre la función neuronal aplicándolos a la acción de drogas que alteran el comportamiento y los estados de ánimo y producen adicción. Se presta especialmente para ser tratada de manera transversal. Un aspecto importante de esta unidad es que promueve el trabajo grupal y las conductas de participación y colaboración. También ofrece la oportunidad de fortalecer valores y adquirir hábitos de respeto individual y social. En ello el profesor o profesora debe jugar un papel central en la prevención del consumo de drogas, asumiendo este papel de manera cotidiana y constante, identificando en la medida de lo posible las carencias de alumnos y alumnas que tienden a suplirse con el consumo de drogas. Por otro lado, se aborda el problema del estrés desde una perspectiva biológica, individual y social. Se dan pautas para distinguir las situaciones de estrés agudo, como respuesta adaptativa con una clara función fisiológica frente a la amenaza, y el estrés crónico como enfermedad. La unidad pretende otorgar bases científicas para una educación en salud mental, especialmente dirigida a la prevención del estrés crónico y la toxicomanía.

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Contenidos Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa

1. Drogas y toxicomanía 2. El estrés Aprendizajes esperados

Los alumnos y alumnas saben y entienden: • Que el consumo de drogas es un problema de salud y social, que se refleja en la magnitud y evolución que ha tenido en la población escolar urbana desde Octavo Básico hasta Cuarto Año Medio, que es influenciado por diversos factores, incluyendo las características del individuo (sexo y edad), de la familia y del entorno (curso, tipo de establecimiento, región), y por lo tanto es susceptible de prevención. • Cuáles son las estrategias de prevención a nivel nacional que se llevan a cabo a través de programas y proyectos dirigidos especialmente a la población escolar, que es la de más alto riesgo. • Los efectos de las drogas clasificadas como lícitas (el alcohol y el tabaco) o ilícitas (marihuana, cocaína, pasta base, etc) de mayor consumo en Chile, sobre la salud de los consumidores y la sociedad. • El estrés es el comportamiento innato ante la amenaza y consiste en una reacción defensiva y/o adaptativa comandada por el sistema neuro-endocrino-emocional, que controla la conducta externa. • El agente inicial que induce el estrés se llama estresor y proviene generalmente del medio ambiente natural y del hombre (ejemplo: contaminantes múltiples, tabaco, droga, violencia, tráfico, robo). • La amenaza se considera el estresor más frecuente y universal, por su potencialidad para poner en peligro la integridad corporal y psíquica, generando miedo, que en sí mismo es un estresor endógeno. • Un estresor sorpresivo, conmovedor o muy violento siempre producirá estrés, cualquiera sea el temperamento, constitución genética o experiencia previa de la persona. • La duración del estrés puede extenderse por minutos, horas o semanas según la magnitud, intensidad, duración y sorpresa del estresor, y puede hacerse crónico, transformándose en una enfermedad. • Durante el estrés se modifica el medio interno y la descarga de diversas hormonas que sensibilizan e influyen en nuestra conducta, de ahí el impacto del estrés en las reacciones psicológicas y conductuales. Los alumnos y alumnas mejoran sus habilidades de:

• Construir e interpretar gráficos. • Identificar relaciones causa-efecto. • Utilizar distintas fuentes de información para formarse una opinión propia y expresarse críticamente sobre diversos temas. • Aplicar conocimientos adquiridos en distintos contextos.

Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa • Drogas y toxicomanía

1. Drogas y toxicomanía

Actividad 1

Describir la magnitud y evolución del consumo de drogas en la población escolar chilena, representando los datos gráficamente por medio de recursos computacionales, e interpretarlos en un contexto de salud y social.

Ejemplo

Realizar un histograma mediante recursos computacionales con los datos presentados en las siguiente tabla sobre consumo de drogas. Analizar y describir esta información, apreciando los grupos de edad y sexo que presentan mayor consumo de drogas y cómo ha sido la evolución del consumo de drogas entre escolares chilenos. Formular hipótesis que pudieran explicar la distribución y evolución del consumo de drogas. Formular opiniones o juicios críticos sobre la magnitud del fenómeno.

Tabla 6 Consumo de drogas en escolares chilenos

Sustancia

Promedio edad primer consumo

Marihuana

14,86

Cocaína

15,71

Pasta base

14,92

Inhalantes

14,91

Promedio drogas ilegales

15,16

Tabaco

13,26

Tranquilizantes

14,69

Alcohol

13,99

Promedio drogas legales

13,98

Promedio general

14,62

Fuente: Conace, Información de la situación de drogas en Chile 1998.

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Actividad 2

Interpretar tablas de datos y opinar críticamente sobre los factores de riesgo de mayor relevancia que inciden en el consumo de drogas en la población escolar chilena. Ejemplo

Determinar cuáles son los factores de riesgo más importantes en el consumo de drogas en la población chilena, utilizando la información entregada en la tabla siguiente. Presentar los resultados al curso en forma oral y formular juicios valóricos sobre estos factores. Tabla 7 Factores de riesgo en el consumo de drogas en escolares chilenos

Causas del consumo

Porcentaje total

Mal uso del tiempo libre

47,7%

Bajo nivel de autoestima

17,4%

Falta de información

17,4%

Falta de líderes juveniles

13,0%

Otras

4,3%

Fuente: Conace, Información de la situación de drogas en Chile 1998.

Actividad 3

Investigar sobre las estrategias de prevención y tratamiento del abuso de drogas.

Ejemplo 1

Se informan sobre los programas de prevención existentes en la actualidad, proponen y fundamentan estrategias que a alumnos y alumnas les parezcan adecuadas para prevenir y combatir el consumo.

Ejemplo 2

Organizados en grupos, visitan centros de rehabilitación de toxicómanos y realizan miniencuestas sobre el origen o causa que los llevó a consumir drogas. Ordenan la información y la presentan frente al curso. Organizan un debate y discuten sobre los factores de riesgo que identificaron en las entrevistas y sobre la forma de prevenirlos. Informan al curso sobre los tratamientos aplicados a los pacientes toxicómanos.

Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa • Drogas y toxicomanía

Ejemplo 3

El grupo curso ve una película como “El encierro” en la que se presenta la vida de un individuo toxicómano y cómo éste hace lo imposible para dejar de consumir. Posteriormente el profesor o profesora organiza un debate con el curso para así tratar de identificar los factores biológicos, psíquicos y sociales que llevaron al protagonista a consumir drogas. Formulan juicios valóricos sobre el protagonista, idean estrategias de prevención y de atacar el consumo de drogas.

Actividad 4

Se informan y comunican sobre los efectos de las drogas lícitas e ilícitas en el cuerpo humano. Ejemplo A

Organizados en grupos pequeños realizan una investigación bibliográfica sobre el efecto de las drogas en el cuerpo humano, consultando la bibliografía disponible en biblioteca, CD’s o en internet. Realizan un informe y presentan sus trabajos al curso en forma resumida, utilizando material audiovisual.

Ejemplo B

El profesor o profesora presenta al curso una tabla resumen, con la clasificación de las diversas drogas y sus efectos a nivel del sistema nervioso. Complementa esta tabla con un esquema del mecanismo de acción de las drogas en diferentes niveles de la sinapsis nerviosa.

INDICACIONES AL DOCENTE

Es importante recuperar aquí los conocimientos de las unidades anteriores y explicar que el sistema nervioso es susceptible de perturbación por las diferentes drogas a nivel de la transmisión sináptica.

Actividad 5

Planifican una investigación para evaluar los factores de riesgo de consumo de drogas más frecuentes que pueden sufrir los estudiantes del establecimiento y proponen medidas de tipo comunitario que puedan seguir los alumnos y alumnas para disminuir o dejar el consumo de drogas. Ejemplo

Alumnos y alumnas analizan los gráficos que han realizado previamente y diseñan una ficha de encuesta que les permita extraer la siguiente información: edad, sexo, factores de riesgo reconocidos. Con estos datos identifican los factores que podrían ser susceptibles de control en su comunidad y proponen estrategias para llevarlas a cabo.

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2. El estrés Actividad 1

Identificar y describir situaciones de estrés en la vida cotidiana. Caracterizar los agentes estresores. Ejemplo

Alumnos y alumnas relatan situaciones de la vida cotidiana en las que ellos crean haber experimentado estrés, o leen un testimonio que describa una situación de violencia vivida por un individuo. Orientados por el profesor o profesora, identifican qué gatilló la situación de estrés, y describen cómo respondió su organismo distinguiendo las distintas etapas de la reacción (rabia, instinto, frustración, tentativa para olvidar). Discuten sobre los agentes estresores más comunes o frecuentes en los estudiantes.

Actividad 2

Estudiar en datos experimentales los cambios o respuestas neuro-hormonales del organismo a un agente estresor. Ejemplo

Analizan datos experimentales sobre variaciones de la frecuencia cardíaca y concentración de cortisol sanguíneo en diferentes estados del individuo como, por ejemplo, antes, durante

Número de latidos cardíacos por minuto

Carro detenido

Descenso

inicio del descenso

En línea recta horizontal

Al partir

Antes de partir

tiempo

Cortisol plasmático (en pg/ml)

Figura 36 Gráfico sobre variación de la frecuencia cardíaca y de cortisol en una situación de estrés

Horas después de la factura de una pierna

Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa • El estrés

y después de subirse a la montaña rusa (figura 36). Proponen y discuten hipótesis para explicar el sentido de estas modificaciones del organismo. El docente finaliza la actividad explicando en un cuadro resumen los principales cambios hormonales y nerviosos que ocurren como respuesta a un agente estresor y el sentido fisiológico de éstos.

Actividad 3

Introducir la noción de estrés agudo y estrés crónico a partir de relatos de diferentes situaciones de estrés, identificando los elementos comunes. Ejemplo

El profesor o profesora relata a los estudiantes dos situaciones de estrés como las siguientes: 1) Al atravesar la calle seguros de que nos corresponde, somos casi alcanzados por un automóvil que pasó velozmente, dejándonos asustados. 2) En el colegio somos amenazados constantemente por un profesor que nos agobia con correcciones o pruebas inesperadas, sintiéndonos en peligro de repetir el curso. Alumnos y alumnas distinguen y definen la situación de estrés agudo y crónico.

Actividad 4

Investigar formas de prevenir y manejar el estrés crónico y comunicar sus resultados al curso.

Ejemplo

Alumnos y alumnas organizados en pequeños grupos investigan en diferentes fuentes, tanto bibliográficas como a través de entrevistas a personas entendidas en el tema, sobre las diversas maneras de manejar el estrés. Entrevistan individuos que hayan sufrido estrés crónico e identifican los estresores, las consecuencias tanto físicas como sociales o familiares, y proponen una forma de manejarlo o prevenirlo. Presentan los resultados de su trabajo de investigación al curso y discuten sobre los principales estresores que los afectan a ellos en su vida cotidiana.

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Evaluación Unidad 3 Objetivo de la evaluación: Aplicar conocimientos y habilidades

Ejemplo La cocaína es una droga estimulante del sistema nervioso que actúa en las sinapsis donde la dopamina es el neurotransmisor. Su mecanismo de acción es la inhibición de la recaptura del neurotransmisor por la neurona presináptica, que normalmente ocurre para reconstituir las vesículas sinápticas. En base a sus conocimientos sobre la manera de actuar del neurotransmisor: ¿Cómo explicaría el efecto estimulante de la cocaína?

Ejemplo de criterios para evaluar una actividad de aprendizaje

Actividad de aprendizaje

Describir la magnitud y evolución del consumo de drogas en la población escolar chilena, representando los datos gráficamente por medio de recursos computacionales e interpretarlos en un contexto de salud y social.

Tipo de evaluación

Formativa

Ejemplo de actividad

Criterios de evaluación

Realizar un histograma mediante recursos computacionales con los datos presentados en la siguiente tabla sobre consumo de drogas. Analizar y describir esta información, apreciando los grupos de edad y sexo que presentan mayor consumo de drogas y cómo ha sido la evolución del consumo de drogas entre escolares chilenos. Formular hipótesis que pudieran explicar la distribución y evolución del consumo de drogas. Formular opiniones o juicios críticos sobre la magnitud del fenómeno.

• Identifica las variables y las utiliza correctamente en el gráfico. En el eje horizontal representa la variable fija o independiente, cuyo rango de valores es seleccionado por el investigador (por ejemplo, edad), y en el eje vertical pone la variable dependiente, la que se está estudiando. • Indica la intersección de los valores de cada eje. • Traza la curva reuniendo los puntos. • Define el título del gráfico y lo expresa como la variación de un parámetro en función de otro que varía naturalmente. • Ubica valores particulares o importantes en la curva (por ejemplo, dónde la curva cambia o alcanza valores máximos o mínimos). • Estudia cada sector de la curva definiendo si aumentó o disminuyó o se mantuvo constante en función del parámetro estudiado. • Determina en términos generales la variación del parámetro estudiado en función de las condiciones experimentales. • Propone una explicación tentativa o hipótesis de las variaciones observadas en el gráfico.

Unidad 3: Biología humana y salud: higiene nerviosa

Actividad de aprendizaje

Se informan y comunican sobre los efectos de las drogas lícitas e ilícitas en el cuerpo humano.

Tipo de evaluación

Sumativa

Ejemplo de actividad

Criterios de evaluación

• La información recopilada corresponde o es coherente con el tema desarrollado. • Los textos son limitados y las frases más relevantes están destacadas; se privilegian las ilustraciones, dibujos, esquemas, gráficos, tablas y fotografías. • El informe está presentado dentro de una carpeta que indica el título (un título atrayente), nombre y fecha. • Incluye un índice que facilite la lectura. • Presenta una breve introducción a la problemática que se aborda, por medio de preguntas o datos curiosos que inviten a la lectura del informe. • En el desarrollo del informe están ordenados los diversos documentos, enumerados, con la indicación de la fuente, con un título claro o una frase corta y un breve comentario o crítica cuando es pertinente. • El informe incluye una breve conclusión con las ideas principales que surgieron del trabajo. • Se incluye una bibliografía con los textos o medios consultados. • Se agrega un agradecimiento a alguien especial que haya ayudado u orientado significativamente en la realización del informe (opcional).

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Actividad de aprendizaje

Tipo de evaluación

Formativa / Sumativa

Ejemplo de actividad

Criterios de evaluación

Alumnos y alumnas analizan los gráficos que han realizado previamente y diseñan una ficha de encuesta que les permita extraer la siguiente información: edad, sexo, factores de riesgo reconocidos, consumo de drogas (tipo y frecuencia). Con estos datos identifican los factores que podrían ser susceptibles de control en su comunidad y proponen estrategias para llevarlas a cabo.

• Sigue todos los pasos indicados por el docente para la investigación. • Aprecia y valora el fruto de su trabajo. • Se responsabiliza por la discreción y protección de los datos obtenidos. • Registra sistemáticamente sus actividades y observaciones en un cuaderno. • Traduce adecuadamente desde un registro escrito a una comunicación oral. • Redacta en forma autónoma frases simples. • Elabora esquemas o croquis sencillos. • Es autónomo: gestiona su tiempo para el desarrollo de su trabajo de investigación. • Cuida correctamente su cuaderno.

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U Unidad 4

Variabilidad, evolución y adaptación

Orientaciones didácticas

En esta unidad se trata uno de los capítulos más importantes de la Biología, la teoría de la evolución de los organismos y la teoría de la selección natural, propuestas por Darwin. La teoría de la evolución explica la enorme diversidad de formas vivientes, las similitudes entre organismos diversos y la adaptación de los organismos a su ambiente. La segunda teoría propone la selección natural como uno de los más probables mecanismos de evolución, hoy día ampliamente aceptado como una explicación científica capaz de dar cuenta de un sinnúmero de observaciones sobre el registro fósil y sus relaciones con las formas de vida actuales. Respecto a la teoría de la evolución, es importante exponer extensamente las evidencias que la sustentan. Alumnos y alumnas deben apreciar que el registro fósil es una de las evidencias más fuertes de la evolución y que actualmente también se cuenta con los importantes aportes realizados por la biología molecular. La biología molecular da evidencias de relaciones filogenéticas y una constancia en el diseño del programa genético que no son aparentes en las comparaciones fenotípicas. Esto ha dado mayores evidencias de que todos los organismos vivientes provienen de formas ancestrales comunes que han evolucionado. Se tiene aquí la oportunidad de ilustrar la relación entre ciencia y sociedad reflexionando sobre el contexto histórico y el impacto de la teoría evolutiva. La cuestión del origen de las especies era considerado el “misterio de los misterios”. Que los organismos evolucionan implica que las especies no son per-

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manentes ni inmutables como se tendía a creer antes de Darwin. Es necesario enfatizar que no hay evidencias que refuten el origen común y evolución por descendencia de los organismos. En relación a la otra proposición de Darwin, sobre la selección natural como mecanismo de la evolución, es importante que los estudiantes expongan primero sus creencias sobre cómo podrían evolucionar los organismos, ya que tienden a creer que los organismos individuales cambian sus características en respuesta al ambiente y que estas características pasan luego genéticamente a la descendencia. Debe recordarse que existe variación entre los individuos dentro de una especie y que algunas de las diferencias individuales son heredables y pueden pasar a la descendencia. Estas diferencias son previas a la evolución de la especie, existen siempre y son el substrato sobre el que actúa la selección natural, dando al individuo mayores posibilidades de sobrevivencia y de éxito en la reproducción. La reproducción tiene también sus elementos de competencia que deben tratarse separadamente, con distintos ejemplos. Esta unidad se presta para recuperar conocimientos de genética y herencia y contestar una pregunta que Darwin dejó pendiente porque no tenía los elementos de la genética actual: cuál es la fuente de las variaciones individuales. Los alumnos y alumnas tendrán la oportunidad de apreciar cómo pueden aplicar sus conocimientos previos para explicar un fenómeno de gran relevancia biológica: las variaciones heredables, tanto las pequeñas como las más dramáticas, surgen de cambios en los genes. De ahí pueden inferir que aquellas mutaciones que capaciten mejor a los individuos para su sobrevivencia y reproducción tenderán a permanecer y extenderse dentro de una población bajo selección natural. Es importante resaltar que los cambios genéticos ocurren al azar y no inducidos por el ambiente. El ambiente influye en la sobrevivencia y reproducción de manera distinta en cada individuo según sus variaciones ya existentes, es decir, una vez producidos los cambios que los hacen distintos. Con estas nociones se debe ilustrar cómo la selección natural, operando sobre las variaciones entre individuos por largos períodos de tiempo, podría llevar a la evolución y aparición de nuevas especies. Deben apreciar, en este contexto, las ventajas de la reproducción sexual en la producción de variaciones genéticas, y concluir que la evolución se produce sobre la base de mutaciones y selección natural, que elimina los cambios desventajosos y selecciona, según Darwin, los más útiles para la sobrevivencia y reproducción. Hacer que especulen sobre modelos de especiación ayuda a entender estos conceptos. Sin embargo, deben saber que la selección natural no es el único mecanismo evolutivo. Existe además la deriva génica, que puede incorporar mutaciones neutras, sin valor adaptativo. La unidad incluye actividades para demostrar que la evolución por selección natural no es solamente un fenómeno histórico alejado, sino que opera constantemente. Podemos encontrar evidencias de esto, entre otras, en la evolución continua de los microorganismos patógenos a la especie humana.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación

La aparición de nuevas cepas de bacterias resistentes a los antibióticos es un hecho que debe aprovecharse para insistir en el significado de la selección natural. Los ejemplos actuales se prestan para presentarlos como problemas para ser resueltos en actividades que estimulan el razonamiento y la aplicación de conocimiento previo. Finalmente, se incluyen actividades integradoras que exponen los cambios evolutivos y geológicos que llevaron a adaptaciones determinantes en la aparición de las formas de vida actuales. Se presentará el concepto de adaptación como producto de la evolución, distinguiendo las adaptaciones a los cambios ambientales diarios, estacionales y geológicos. La adaptación se examina también al nivel celular para entender los cambios que llevaron a la aparición de las formas más complejas de vida en los multicelulares, las relaciones entre estructura y función al nivel celular, y los cambios adaptativos de microorganismos patógenos frente a la selección que ejercen los antibióticos. Esto último es importante que se aprecie también desde la perspectiva de sus repercusiones para la especie humana, ya que es uno de los más serios problemas emergentes de salud pública en todo el mundo.

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Contenidos Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación

1. Variación y evolución 2. Adaptación

Aprendizajes esperados

Los alumnos y alumnas saben y entienden que: • Todos los seres vivos se originan de otros seres vivos (principio universal de continuidad) y todas las especies no son permanentes o inmutables sino que evolucionan en el tiempo, por mecanismos que dependen de cambios genéticos y de la interacción con el medio (principio universal de evolución). Estos principios proveen el fundamento a la teoría de la descendencia con modificación de Darwin. • Darwin propuso el proceso de selección natural como mecanismo de evolución, en el cual actualmente se considera que intervienen los siguientes factores: 1) el potencial que tienen las especies para incrementar el número de sus individuos (Ley de Malthus, utilizada por Darwin y Wallace); 2) la variación genética de la descendencia debida a mutaciones o recombinaciones de genes (conocimiento de la genética actual); 3) la disponibilidad limitada de los recursos requeridos para mantener la vida (Malthus); 4) la constante selección de la descendencia más capacitada para sobrevivir y reproducirse en un determinado ambiente (Darwin). • Las ideas aportadas por Darwin sobre la evolución orgánica produjeron gran impacto en la cultura, contrastando con las ideas y creencias sobre el origen de las especies previas a Darwin. • Los registros fósiles generalmente revelan una sucesión de formas en los organismos y aportan las evidencias más directas de la teoría de la evolución orgánica, mostrando frecuentemente una direccionalidad. Es decir, que las formas de plantas y animales más simples generalmente preceden a las más complejas y que los estratos de fósiles más recientes presentan un parecido más acentuado con las especies vivas actuales. En la evolución de plantas y animales se distinguen eventos evolutivos que llevaron a la colonización de los ambientes terrestres.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación

• Tanto la diversidad como las similitudes entre las variadas formas de vida son explicadas por la evolución de especies a partir de ancestros comunes. • La diversidad continental (reinos biogeográficos) se explica por la deriva continental. • En organismos con reproducción sexual, una especie es un conjunto de poblaciones de individuos interfecundos que comparten un mismo programa genético, el cual pasa de una generación a la otra. En estas especies el proceso evolutivo requiere aislamiento reproductivo. • La selección natural opera sobre la variación de aquellas características heredables que influyen en la sobrevivencia y la reproducción. • La biología molecular ha aportado nuevas y contundentes evidencias de las relaciones filogenéticas y evolución de los seres vivos y también sobre la frecuente ocurrencia de mutaciones neutras. • La selección natural da como resultado organismos estructural y conductualmente adaptados, esto es, capaces de sobrevivir en su ambiente y responder a los cambios ambientales, que pueden ser geográficos, diarios o estacionales. • Los métodos de estudio del tiempo geológico hacen posible situar los principales acontecimientos relacionados con la evolución de los organismos en el planeta.

Mejoran sus habilidades para:

• Obtener y procesar información científica de diversas fuentes. • Realizar indagaciones bibliográficas y comunicarlas en forma oral y escrita. • Informarse sobre hechos históricos en ciencia, distinguiendo hechos de interpretaciones y apreciando sus limitaciones y aportes. • Obtener y procesar información de diversas fuentes. • Observar y describir en un contexto científico. • Discutir y comunicar el significado de fenómenos. • Informarse en diversas fuentes gráficas (fotografías e ilustraciones). • Realizar esquemas de síntesis. • Razonar, estableciendo relaciones entre distintos conceptos.

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1. Variación y evolución

Actividad 1

Informarse sobre los conceptos de fósil, su proceso y relación con la estratificación y tiempo evolutivo. Ejemplo A

Organizados en grupos, alumnos y alumnas fabrican un modelo físico de una estratificación, rellenando un envase transparente con distintos tipos de sedimentos previamente establecidos por el profesor o profesora (arena, maicillo, tiza molida, etc.) Entre un estrato y otro depositan elementos que representan supuestos fósiles. En las más profundas agregan pequeñas conchas de invertebrados marinos, luego caracoles de tierra, restos de insectos; hacia los estratos superficiales ubican huesos secos de aves y de mamíferos que aparecieron al mismo tiempo. Se les pide que supongan que el proceso tomó miles de años y que expongan sus impresiones sobre el significado de la relación entre estratos y formas de vida. Se les guiará para llegar a concluir que los registros fósiles de las especies de plantas y animales que existieron en distintas épocas se encuentran asociados a determinados estratos geológicos. Como trabajo complementario indagan sobre los conceptos fósil, fósil índice, compresiones e impresiones, huellas, petrificaciones, moldes, roca sedimentaria y estrato.

INDICACIONES AL DOCENTE

Las siguientes son direcciones de internet útiles para la investigación de los alumnos: Lo que nos puede enseñar un fósil (http://www.conicyt.cl/explora/noticias/dinosaurio/inicio.html); utilización de láminas delgadas en paleontología (http://wzar.unizar.es/invest/sai/rocas/prestaci/ejemplo.htm); fósiles de la colección de Eduardo Jawerbaum (http://www.abaconet.com.ar/elj); fósiles característicos (vea: Indice de fósiles y Tabla) (http://www.arrakis.es/~balea/FOSIL.htm).

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

Ejemplo B

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Organizados en grupos y acompañados por el profesor o profesora, los estudiantes visitan un yacimiento fósil cercano donde observarán rocas y fósiles. En conjunto plantean los objetivos, precauciones y actividades de campo. Es recomendable seleccionar lugares con afloramientos rocosos (roqueríos costeros, canteras y otras excavaciones realizadas por el hombre, paredes naturales estratificadas). Entre las actividades se sugiere observar y clasificar distintos tipos de rocas, contar el número de estratos, colectar muestras de distintos tipos de arenas, ser acucioso al partir rocas, (dentro de un envase, guardar fragmentos, medir, pesar e identificar presencia de sustancias calcáreas).

INDICACIONES AL DOCENTE

Hacer un listado de lugares en distintas regiones de Chile donde los fósiles están a la vista (en la precordillera de Santiago: Lo Valdés). Recalcar que los estratos que contienen fósiles marinos se levantaron desde el fondo del mar y pasaron a formar tierra firme o montañas.

Ejemplo C

Visitar un museo cercano y observar fósiles, informándose sobre su origen y data.

Actividad 2

Estudiar el aporte del registro fósil a la teoría de la evolución orgánica Ejemplo

El docente presenta imágenes del registro fósil de la línea evolutiva del caballo y su relación con los estratos en que se encontraron. Reconocen la cualidad direccional en la secuencia de fósiles, por la aparición de formas relacionadas y que los fósiles obtenidos de estratos más recientes presentan un mayor parecido a las especies actuales.

INDICACIONES AL DOCENTE

Hay una amplia distribución de dibujos de la línea evolutiva del caballo en textos y libros tales como Invitación a la Biología de H. Curtis o Biología de C. Ville, Solomon y otros.

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Actividad 3

Representar los principales eventos geológicos, ecológicos y evolutivos en la escala de tiempo geológico. Ejemplo

El profesor o profesora muestra ilustraciones como las siguientes e indica los períodos o eras geológicas en que han ocurrido eventos, tales como la formación de la Tierra, formación de los océanos, aparición de la vida, modificación de la atmósfera, y la diversidad de organismos multicelulares que hacen su aparición en el Cámbrico. Luego presenta una tabla con los datos sobre los principales eventos geológicos y biológicos en la historia de la Tierra y pide a los estudiantes que transformen esos datos en una representación lineal de tiempo similar a la presentada previamente.

INDICACIONES AL DOCENTE

Aunque en esta actividad se recuperan conocimientos previos es necesario reforzar las siguientes nociones: 1) Las formas vivientes han modificado los océanos, la superficie terrestre y la atmósfera. Por ejemplo, los organismos fotosintéticos son responsables del oxígeno de la atmósfera. Luego de su aparición en la Tierra hace unos 2 mil millones de años, se acumuló oxígeno en la atmósfera y esto llevó a la evolución de células eucariotes más estructuradas (con mitocondrias que usan oxígeno) que a su vez llevaron a la aparición de plantas y animales multicelulares. 2) La aparición de los seres humanos es un evento muy reciente en la escala de tiempo geológico. Figura 37 Calendario geológico y principales eventos evolutivos

Unidad 4: Variabilidad, evoluciรณn y adaptaciรณn โ ข Variaciรณn y evoluciรณn

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Actividad 4

Proponer explicaciones y hacer predicciones en base a registros de huellas fósiles, distinguiendo hechos e hipótesis.

Ejemplo

Los estudiantes observan e interpretan el registro de huellas fósiles, como el de la figura 38 presentada en una transparencia. El docente presenta el problema paulatinamente para ir llamando la atención de los alumnos y alumnas y para que ellos vayan elaborando y cambiando sus interpretaciones. Primero presenta la posición 1 de las huellas. Menciona que este tipo de huellas ha sido importante para reconstruir eventos que ocurrieron en un pasado muy remoto, de tiempo geológico como el que vieron en una actividad anterior, y que ellos deberán hacer lo mismo con las huellas que les mostrará. Deben elaborar hipótesis o explicaciones que sean defendibles para reconstruir los eventos que ocurrieron en un pasado de tiempo geológico. El problema es similar al que enfrentaría un detective, que está obligado a reconstruir eventos pasados a partir de evidencias limitadas. Explicar a los estudiantes que a medida que les presente nuevas evidencias deberán modificar o abandonar sus hipótesis. Las únicas claves están en las huellas mismas. ¿Pueden decir algo sobre el tamaño o naturaleza de los organismos? ¿Las huellas fueron hechas al mismo tiempo o en ocasiones distintas? ¿Cuántos organismos son responsables de las huellas? ¿Se puede reconstruir una serie de eventos a partir de las huellas presentadas hasta el momento? Dejar que los alumnos y alumnas discutan cada una de estas preguntas y elaboren respuestas. Aceptar aquellas explicaciones que tengan asidero racional. Mostrarles en cada momento la diferencia entre hechos e inferencias en sus repuestas. Hacer que sugieran otras evidencias que podrían reforzar sus explicaciones. Revelar la segunda posición del problema y dejar tiempo para que los estudiantes consideren la nueva información. Los alumnos y alumnas verán qué explicaciones requieren modificación y qué elementos nuevos hay que adicionarles. Luego, revelar el problema completo mostrando las tres posiciones e incitarlos a que interpreten lo que sucedió en el momento de impresión de las huellas. Lo crucial es que se den cuenta que sólo aquellas explicaciones que son consistentes con todo el puzzle son válidas y razonables. Las explicaciones consistentes con todas las evidencias son aceptables. Aunque hay muchas explicaciones disponibles, no todas tienen el mismo peso. Los estudiantes, al igual que hacen los científicos, deben ser capaces de utilizar criterio científico para encontrar, comunicar y defender sus explicaciones preferidas.

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Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

¿Qué otros hechos o datos buscarían para sustentar cada una de las hipótesis? ¿Qué valor tienen sus hipótesis si no encontraran otras evidencias? Es importante que los alumnos y alumnas aprecien que frente a los mismos datos existen diversas explicaciones posibles. En grupos, pueden elaborar puzzles semejantes para ser sometidos a un análisis semejante por el curso. Figura 38 Un puzzle sobre huellas fósiles

POSICIÓN 1

POSICIÓN 2

POSICIÓN 3

INDICACIONES AL DOCENTE

Esta actividad tiene como principal objetivo el desarrollo de habilidades y entendimiento del método científico. Se pretende que alumnos y alumnas sean estimulados en los siguientes aspectos: 1) proponer explicaciones y hacer predicciones basadas en evidencias; 2) reconocer y analizar explicaciones y predicciones; 3) entender que las explicaciones científicas están sometidas a cambio a medida que se dispone de otras evidencias; 4) entender que las explicaciones científicas deben

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cumplir con ciertos criterios. Explicaciones acerca del mundo natural que se basan en mitos, creencias personales, valores religiosos, inspiraciones místicas, superstición, o autoritarismo pueden ser importantes y útiles en el plano personal y social, pero no son explicaciones científicas. Los siguientes son ejemplos de posibilidades que pueden ser discutidas respecto de las huellas fósiles: a) las huellas pertenecen a un antropoide y un animal, por analogía con las formas actuales; b) el antropoide se encontró casualmente con una fiera que lo mató y se lo comió en el mismo sitio. La presencia de restos óseos con marcas de dientes podría ser una evidencia adicional. Qué significado ven a la intermezcla de las huellas. ¿Hay evidencia cierta de que fueron hechas al mismo tiempo o sólo se debe a una coincidencia?; c) el antropoide y el animal se buscaron mutuamente y el antropoide se montó sobre el lomo del animal. Evidencias adicionales para este caso serían la disposición de las huellas y la profundidad de las huellas de retirada. Luego hacer ver que la profundidad de las huellas podría ser mayor también porque el animal mató al antropoide y lo lleva cargado para ingerirlo junto a su camada. La disposición de las huellas es también compatible con lo que se esperaría para una lucha por sorpresa. ¿Qué informarían al respecto otros fósiles encontrados en sitios cercanos al de las huellas? Si esto es frecuente se puede pensar que el animal es doméstico y es utilizado como transporte. Si el animal era carnívoro y buscaba su presa: ¿Por qué no vio el antropoide al animal que se acercaba? Una explicación posible es que la región tenía una forestación abundante en el tiempo de las huellas. Con preguntas y respuestas como éstas, hacer ver en cada momento cuáles son las evidencias y las inferencias. Mostrar el límite de las interpretaciones y qué aspectos quedan como incógnitos. En esta actividad el docente tiene la oportunidad de ayudar a los estudiantes a apreciar las diferencias entre observaciones e inferencias. Es central, por lo tanto, estimular el desarrollo de explicaciones basándose en evidencia. Además, los estudiantes ejercitan el pensamiento crítico acerca de sus propias inferencias y acerca de la lógica de las relaciones entre causa y efecto que ellos establecen.

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Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

Actividad 5

Explicar las teorías de Darwin, reconociendo los hechos e inferencias en que se basaron.

Ejemplo

El docente hace una exposición sobre las dos teorías complementarias de evolución que Darwin integró: la teoría de la descendencia con modificación (evolución) y la teoría de la selección natural. Luego desglosa estas teorías en sus componentes (otras teorías contenidas en ellas), hechos e inferencias para que los estudiantes aprecien cómo se construye el conocimiento científico. Respecto de la teoría de selección natural, se puede utilizar la figura siguiente para explicar sus hechos y sus inferencias en el momento de su formulación.

Figura 39 Evolución por selección natural según el modelo de Darwin

Hecho Nº1:

Inferencia Nº1:

Potencial aumento

Lucha por la existencia

exponencial de

entre individuos

poblaciones

Autor: Malthus

Fuente: Paley, Malthus y otros

Hecho Nº2:

Hecho Nº4:

Inferencia Nº2:

Estabilidad y dinámica de

Unicidad del individuo

Sobrevida individual diferencial o

las poblaciones

Selección natural Autor: Darwin

Fuente: Observación universal

Fuente: Criadores, taxónomos

Hecho Nº3:

Hecho Nº5:

Inferencia Nº3:

Limitación de recursos

Herencia de variación

A través de las

individual

generaciones: Evolución

Fuente: Observación universal

Fuente: Criadores

Autor: Darwin

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Tercer Año Medio Biología Ministerio de Educación

INDICACIONES AL DOCENTE

En esta actividad deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos. Darwin propuso dos teorías complementarias de evolución. Una es descriptiva y explicativa. La descendencia con modificación explica la relación entre el fenómeno de la diversidad y el de la constancia entre los organismos, aun entre los más diversos. Esta teoría propone que: 1) Todos los seres vivos evolucionaron a partir de uno solo (principio de descendencia). 2) Cada especie, fósil o viviente, se originó a partir de otra especie (principio de continuidad). 3) En tiempos prolongados se originan nuevos géneros, familias, órdenes, clases y phyla como continuación de la evolución que produjo las especies. 4) Los cambios evolutivos fueron graduales y de larga duración (principio de gradualismo). 5) A mayor similitud morfológica (homología) entre dos grupos de organismos, más cercana es su relación genética y probablemente más cerca está su ancestro común (parentesco por ascendencia común). 6) La extinción de formas (especies, géneros) es consecuencia de la producción de nuevas formas o de cambios ambientales. 7) Una vez que una especie se extingue, nunca reaparece. 8) La evolución continúa hoy en la misma forma como en eras geológicas pasadas. Es importante que los alumnos y alumnas se den cuenta que esta primera teoría no ofrece un mecanismo de los cambios evolutivos sino que sólo postula relaciones entre fenómenos. Darwin enfrentó el problema de los mecanismos mediante otro conjunto de proposiciones que él llamó teoría de la selección natural. Tal como se observa en la figura, esta teoría se basó en cinco hechos y tres inferencias. Los primeros tres hechos son: 1) Una población de organismos tiene la tendencia y el potencial para incrementarse a tasas geométricas (Primer principio de Malthus). A pesar de este potencial, las poblaciones no aumentan geométricamente. 2) Durante períodos geológicos cortos, el número de individuos permanece relativamente constante. 3) Las condiciones para la vida son limitadas. Hay limitación de recursos. Sólo una parte de los nacidos vive y se reproduce. De esto se desprende como inferencia que debe haber una lucha o competencia por la existencia entre los individuos: Los otros dos hechos son: 1) Que los individuos de una población no son iguales sino más bien son únicos en sus características (variación). 2) Algunos rasgos de esta variación son heredables.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

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Esto lleva a la inferencia de la selección natural, es decir, que las actividades vitales (lucha por la existencia) determinan cuáles rasgos son favorables para la sobrevivencia y la reproducción. Los individuos que presentan estos rasgos favorables producirán más descendencia en promedio que los que presentan rasgos menos favorables. Así, la selección natural puede ser definida como el éxito reproductivo diferencial entre los individuos de una población. El resultado es el predominio de los rasgos seleccionados. Finalmente, se infiere que la continuación de este proceso a través de muchas generaciones resulta en la evolución. La diversidad entre los individuos y las especies resulta en un progresivo ajuste en las características de los organismos a su medio ambiente natural (adaptación).

Con la información que han recibido, los estudiantes deberían ser capaces de reconocer las siguientes teorías de Darwin acerca de diferentes aspectos de la evolución: a) Los organismos evolucionan (teoría de la evolución). b) Los diferentes organismos descienden de un ancestro común (teoría de la descendencia común). c) Las especies se multiplican en el tiempo (teoría de la especiación). d) La evolución se produce a través del cambio gradual en las poblaciones (teoría del gradualismo). e) El mecanismo de evolución es la competencia por los recursos limitados entre un gran número de organismos únicos, lo cual lleva a diferencias en la sobrevivencia y reproducción (teoría de selección natural). El término selección puede llevar a equívoco. Debe apreciarse que los individuos seleccionados son simplemente aquellos que permanecen vivos después que los menos adaptados o menos afortunados han sido removidos de la población. Selección significa eliminación no al azar. Pero no hay una fuerza que selecciona en la naturaleza. Cuando se habla de “fuerza selectiva” se está haciendo mención sólo al conglomerado de circunstancias responsables de la eliminación de individuos, es decir el conjunto de factores ambientales y de predisposiciones fenotípicas. Las características que favorecen la sobrevivencia incluyen un aumento de tolerancia a condiciones climáticas adversas (frío, calor, sequedad), mejor uso de los recursos alimenticios, mayor capacidad competitiva, mayor resistencia a patógenos, y una mayor habilidad para escapar de los enemigos (depredadores). Sin embargo, la sobrevivencia sola no asegura un traspaso de estas características a la próxima generación. Desde un punto de vista evolutivo, un individuo puede ser más exitoso no por sus mayores características para la sobrevivencia sino meramente por ser más prolífico reproductivamente. La habilidad de las hembras de seleccionar al macho en especies con reproducción sexual (0,01 % de todas las especies), sobre la base de características fenotípicas especiales, puede ser más importante que las características que dan al macho mayores habilidades para competir con sus rivales por el acceso a la hembra. Los organismos que no logran sobrevivir y adaptarse a un ambiente sufren extinción. Este es un fenómeno habitual, tal como lo muestra el registro fósil. Por ejemplo, esto es especialmente dramático en las extinciones masivas ocurridas hace 220 millones de años, a finales del Pérmico, cuando se extinguió alrededor del 95% de las especies. (También a fines del Cretácico ocurrieron extinciones masivas).

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Actividad 6

Realizar una investigación bibliográfica sobre la historia de Charles Darwin y el impacto cultural de su teoría en contraste con otras teorías evolutivas.

Ejemplo

Se informan en el libro El origen de las especies que se encuentra en el Centro de Recursos del Aprendizajes de su establecimiento sobre la vida de Darwin y su viaje en el Beagle, la influencia de Malthus, y sobre Wallace como el otro naturalista que llegó a una teoría evolutiva similar, en la misma época de Darwin. Resumen sus aportes más significativos. Destacan las ideas que causaron mayor controversia en su época. Presentan sus resultados en una exposición.

INDICACIÓN AL DOCENTE

Ver el libro Darwin en Chile que describe todos los capítulos del viaje del Beagle referidos a Chile. Este libro está disponible en internet.

Actividad 7

Formular hipótesis que relacionen el éxito reproductivo con la selección sexual. Identificar el papel del dimorfismo sexual.

Ejemplo A

Los estudiantes describen las diferencias entre macho y hembra de las aves “viudas del paraíso” al observar fotos presentadas por el profesor o profesora. Elaboran una hipótesis predictiva con relación a la preferencia de las hembras por los machos de ornamentación más exagerada. Se informan del experimento publicado en 1982 por Malte Andersson, quien dio a las hembras la posibilidad de escoger entre tres grupos de machos: (a) control, con cola de 50 cm; (b) cola cortada en 14 cm; (c) cola de 64 cm, al agregarle los extremos cortados al grupo (b). Antes del cambio de colas había el mismo número de hembras nidificando en todos los territorios de los machos. Después de las modificaciones, los de colas más largas atrajeron cuatro veces más hembras que los otros dos grupos. El docente guiará el análisis de resultados mediante preguntas tales como: ¿hay variación en la capacidad de adquirir y competir por el territorio en algún tipo de macho? ¿Cuál es el factor selectivo en el que influye la ornamentación del macho? ¿Por qué la mayor ornamentación podría equilibrar un aumento exagerado de ejemplares de colas más largas? ¿Favorece la depredación?

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Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

INDICACIONES AL DOCENTE

Se debe resaltar que la hipótesis inicial fue propuesta por Darwin y un siglo después Andersson diseñó un experimento apropiado para someterla a prueba. Ejemplo B

Describen las características dimórficas de un macho y una hembra de faisán dorado y proponen hipótesis sobre cuál es el sexo seleccionador, exhibición de un mejor acervo génico y consecuencias para la descendencia. Elaboran un cuadro resumen como el siguiente.

Hembra

Macho

Características

Cola pequeña Color gris marrón Tamaño pequeño Tendencia a pasar desapercibida, inadvertida

Cola de mayor tamaño Color llamativo Mayor masa corporal Conducta agresiva, muy llamativo

Rol sexual

Selecciona

Corteja

Acción de supervivencia

Protección y cuidado de las crías

Distrae a los predadores

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Actividad 8

En grupos, investigar en la bibliografía sobre mecanismos de aislamiento reproductivo y modelos simplificados de especiación por radiación evolutiva, y presentar los datos en forma de ensayos para ser revisados y discutidos por el curso.

Ejemplo

El curso es dividido en grupos. Cada grupo selecciona uno de los siguientes temas para realizar una investigación bibliográfica: a) mecanismos de aislamiento reproductivo; b) evolución en plantas y animales asociada a la deriva continental. Presentan su investigación en la forma de ensayos para ser revisados por los mismos estudiantes. Los grupos que eligieron un tema revisan los ensayos de los grupos que eligieron el otro tema y viceversa. Las revisiones también se presentan por escrito, y deben referirse a la claridad de la exposición y a la relación entre los hechos y las interpretaciones. El docente los guía para que expongan y discutan los mecanismos de aislamiento reproductivo que han sido propuestos en los ensayos. Los estimula para que hagan preguntas relevantes al tema. Establecen en conjunto los conceptos de especie, aislamiento reproductivo, mecanismos de especiación y evolución asociada a la deriva continental.

INDICACIÓN AL DOCENTE

Explicar que este procedimiento es similar al que usan los científicos para validar sus observaciones. Es decir, someten sus observaciones e interpretaciones a la crítica de sus pares. Es evidente que para una buena crítica del trabajo de los otros cada grupo deberá realizar también una investigación sobre el tema que está revisando para poder apreciar la coherencia entre las evidencias y las interpretaciones. ¿La evidencia presentada es suficiente o existen más ejemplos que deberían haberse mencionado? ¿La exposición del tema es clara y precisa o lleva a confusión? ¿Hay explicaciones alternativas a los mismos hechos? Guiar a los estudiantes a buscar y seleccionar los ejemplos en el material bibliográfico disponible. Como fuente bibliográfica se puede recurrir a Invitación a la Biología de Curtis y a El origen de las especies, que se encuentran en el Centro de Recursos del Aprendizaje del establecimiento. Por ejemplo, proponer las observaciones realizadas por Darwin en el Archipiélago de las Islas Galápagos respecto a la diversidad de especies de pinzones (aves). Otro ejemplo que puede ser punto de partida es el hecho que se encuentren en América del Sur marsupiales característicos del continente australiano (por ejemplo, Noticiero de Biología, volumen 3, páginas 21–24 (1995)). Les puede proveer de representaciones de Pangea, Laurasia y Gondwana, para que hagan comparaciones con los continentes actuales. Revisar la distribución actual y fósil del género Nothophagus en los continentes australes. Agregar aquí ejemplos de aislamiento reproductivo (ver Revista Chilena Historia Natural, volumen 71, páginas 359 – 373 (1998)) y de especiación en especies chilenas.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

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Actividad 9

Realizar experiencias de indagación científica, formulación de explicaciones en base a información sobre procesos de selección natural actuales.

Ejemplo

Organizar a los estudiantes en grupos y entusiasmarlos a participar en la solución de un problema que puede ser abordado científicamente. Presentarles primero la información sobre la que deberán formular hipótesis y estrategias para probarlas. Los siguientes son dos tipos de problemas similares que pueden ser utilizados indistintamente.

Problema 1 Una campesina que está tratando de eliminar una plaga de moscas que afecta la salud de sus animales de consumo consulta a un grupo de científicos (representado por los estudiantes). La campesina cuenta primero que impregnó el establo y los animales con un insecticida A que al principio eliminó casi todas las moscas. Sin embargo, un tiempo después reapareció la plaga de moscas en gran cantidad. La segunda vez que utilizó el mismo insecticida consiguió un resultado similar al anterior, es decir, eliminó la mayor parte de las moscas, pero no a todas. Nuevamente reaparecieron las moscas en gran cantidad. Esto se repitió unas cinco veces durante algunos meses pero la campesina empezó a notar que las moscas eran cada vez más resistentes al insecticida A. Con esta información se invitará a los alumnos y alumnas a que discutan el problema y propongan varias hipótesis que podrían dar cuenta de los hechos. Luego deben proponer formas de llevar a cabo una investigación para probar las distintas hipótesis.

Problema 2 En este caso se trata de una paciente que tiene una infección urinaria que ha sido resistente al tratamiento con antibióticos. Al principio de los síntomas la persona compró un antibiótico X por recomendación de una amiga que había tenido un problema similar. El tratamiento con el antibiótico eliminó los síntomas por un período corto de dos semanas pero luego éstos reaparecieron con mayor intensidad: molestias para orinar y dolor constante en la región de la vejiga. Nuevamente se trató con el mismo medicamento. Ahora los síntomas disminuyeron pero no desaparecieron completamente. Después de dejar de tomar el antibiótico volvieron los síntomas rápidamente al cabo de pocos días. Decide consultar al médico quien le practica un cultivo de bacterias y encuentra que hay infección con un tipo de bacterias que se sabe es sensible al antibiótico X. Sin embargo, estudia la sensibilidad de las bacterias al antibiótico que estaba ingiriendo y observa que son en cambio resistentes al antibiótico X. La historia de la paciente llevó al médico a concluir que la dosis y la frecuencia con que tomaba el antibiótico no eran adecuadas. De manera

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similar al problema anterior, se debe guiar a los estudiantes a que formulen explicaciones de las observaciones hasta que lleguen a concluir que se produjo una selección de bacterias resistentes dentro de una población cuya mayoría es sensible al antibiótico. Aquí puede plantearse que las dosis que estaba utilizando la paciente y la forma de administración fueron determinantes para que se seleccionaran bacterias resistentes. Los estudiantes deben diseñar experimentos teóricos utilizando cultivos bacterianos y antibióticos en distintas dosis para probar sus hipótesis. ¿Cuales serían las predicciones que prueban sus hipótesis?

INDICACIONES AL DOCENTE

En esta actividad se pretende que los estudiantes tengan la experiencia de formular y probar hipótesis científicas y conozcan situaciones actuales que pueden explicarse por un mecanismo de selección natural. La estrategia debe ser la de establecer una discusión en base a la información que provee el profesor o profesora, dejando que los estudiantes tengan tiempo para pensar, interactuar con sus compañeros y proponer explicaciones a las observaciones descritas. Luego el docente debe dar información adicional para que los alumnos y alumnas continúen sus discusiones incorporando esta nueva información.

Al igual que en actividades anteriores, es importante cuidar que los estudiantes tengan oportunidad de realizar una experiencia con los siguientes aspectos: a) Identificar preguntas que pueden ser resueltas a través de investigación científica. b) Diseñar y conducir una investigación científica. c) Utilizar herramientas y técnicas apropiadas para reunir, analizar e interpretar datos. d) Desarrollar descripciones, explicaciones, predicciones, y modelos utilizando evidencia. e) Pensar de manera crítica y lógica para establecer relaciones entre evidencias y explicaciones. f ) Reconocer y analizar explicaciones y predicciones alternativas. g) Comunicar procedimientos y explicaciones científicas. En el primer ejemplo, entre las posibilidades que aparecerán estará si el insecticida estaba activo o se deterioró con el tiempo, si fue bien aplicado etc. Las propuestas de los estudiantes deben ir descartando estas posibilidades guiados por el docente. Presentarles los resultados que se esperaría para cada estudio en relación a la forma de administración y calidad del insecticida. Mencionar que las moscas siguen siendo resistentes y que tal vez el problema está en el organismo que se trata de eliminar. Pueden sugerir probar el insecticida en otras partes de la región contra el mismo tipo de moscas. Hacerles ver que la experiencia se repetiría de manera similar, observándose nuevamente que las

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

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moscas se hacen resistentes. Llevarlos entonces a discutir la relación entre el insecticida y las moscas y que apliquen sus conocimientos biológicos. Guiarlos para que hagan conjeturas sobre el hecho de que no todas las moscas morían desde el principio. Con preguntas hacerlos razonar para que aprecien que tal vez no todas las moscas son iguales respecto a la sensibilidad al insecticida A. ¿Qué pasaría si dentro de la población de moscas hubiera una variación genética que hace a algunas pocas resistente al insecticida? ¿Cuáles tienen mayor posibilidad de sobrevivir y reproducirse? Mediante preguntas de este tipo, llevar a los estudiantes a que consideren la posibilidad de una selección natural de las variantes resistentes, en este caso impuestas por el ambiente artificial del insecticida. Finalmente, deben apreciar todo el proceso durante el que han estado formulando explicaciones y proponer estrategias de tratamiento de la plaga mediante el uso combinado o secuencial de distintos insecticidas u otras alternativas de manejo “biológico”. Respecto del segundo ejemplo, es muy posible que surjan preguntas similares a las anteriores que irán evolucionando en complejidad y rigurosidad a medida que el docente vaya guiando la discusión. Es evidente que este problema se presta para abordar el tema de la legislación en el consumo de medicamentos.

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Actividad 10

Comparar secuencias de DNA que revelen evidencias de evolución al nivel molecular.

Ejemplo

El profesor o profesora entrega a los alumnas y alumnos la siguiente hoja de trabajo para que comparen las secuencias del gen de la hemoglobina en cinco especies de vertebrados superiores.

Hoja de trabajo para el estudiante Comparación de secuencias de DNA en vertebrados superiores Abajo se muestran secuencias de DNA correspondientes a parte del gen de hemoglobina de cinco especies diferentes. Su tarea es cortar horizontalmente en forma de tiras cada una de estas secuencias y ponerlas en línea (una sobre otra) de manera que las secuencias encajen lo mejor posible. Siga la pauta siguiente: •

Corte y ordene las diferentes secuencias de la manera que Ud. piense que es más apropiada según el parecido de cada secuencia.

•

Pegue las secuencias en el orden elegido.

•

Complete la siguiente tabla con el número de diferencias que encontró en cada secuencia de DNA.

Tabla resumen de las diferencias entre las secuencias de DNA

sapo

gallina

cabra

vaca

chimpancé

sapo gallina cabra vaca chimpancé humano

•

¿Cómo interpreta estos resultados en términos de las teorías de Darwin?

humano

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Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Variación y evolución

Figura 40 Secuencia del gen para hemoglobina en diferentes especies

GCTGCACTGT

GATAAGCTGC

ACGTGGATCC

TGAGAACTTC

GCTGCACTGT

GACAAGCTGC

ACGTGGATCC

TGAGAACTTC

ACTGCATTGT

GACAAGCTGC

ATGTGGACCC

CGAGAACTTC

GCTGCACTGT

GATAAGCTGC

ACGTGGATCC

TGAGAACTTC

GAAGCACCGT

GAGGAACTCC

ACGTGGACCC

TGAAAACTTC

GCTGCACTGT

GACAAGCTGC

ACGTGGATCC

TGAGAACTTC

1. Vaca 2. Chimpancé 3. Gallina 4. Cabra 5. Sapo 6. Humano INDICACIONES AL DOCENTE

En esta actividad es necesario recuperar conocimientos previos sobre genes y secuencias de DNA y luego guiar a los alumnos y alumnas para que discutan sus versiones acerca de las homologías que existen entre genes de especies diferentes. Recordarles las teorías de Darwin que acaban de estudiar anteriormente, especialmente la idea del ancestro común. Guiarlos para que puedan interpretar las observaciones en término de cuán lejano o cercano sería el ancestro entre las distintas especies.

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2. Adaptación

Actividad 1

Describir características de animales y plantas y relacionarlas con la adaptación al ambiente. Definir el concepto de adaptación biológica. Reconocer los principales eventos evolutivos en la colonización de los ambientes terrestres por plantas y animales. Ejemplo

Alumnas y alumnos observan fotos o videos de un pájaro carpintero, un guanaco, un cururo, un búho, y semillas con ganchos o pelos adhesivos: describen sus características más distintivas que pueden ser relacionadas con una función. Explican su posible significado adaptativo y proponen una definición del concepto de adaptación. El profesor o profesora explica ejemplos menos evidentes tales como los siguientes: 1) En las plantas, una forma de resistencia a la pérdida de agua en ambientes desérticos involucra una transformación de hojas en espinas y la fotosíntesis ocurre en el tallo verde, que está cubierto con una sustancia parecida a la cera, que evita la pérdida de agua. (Ejemplo: los cactus del norte de Chile). En cambio, la resistencia al frío involucra proteger las yemas de hojas y tallos y disponerlas a nivel del suelo o en el subsuelo. (Ejemplo: las llaretas, que tienen forma de crecimiento en cojín en las montañas de Chile). 2) En animales, tales como algunos ratones del norte de Chile, la conservación del agua corporal se ve favorecida por las narinas o turbinales con una enorme superficie, que permite que el aire seco que se inspira se humedezca en las mucosas y llegue así a los pulmones sin desecarlos. Durante la expiración, dado que la nariz esta más fría que el interior del animal, el agua que trae el aire de los pulmones se condensa en las narinas o turbinales y sale seco al ambiente. Esto ocurre en cada ciclo respiratorio. 3) La conservación del calor corporal se realiza mediante mecanismos de contracorriente en las patas de algunas aves. La sangre fría proveniente de las extremidades circula por venas cuyo flujo va en sentido contrario de las arterias que traen sangre caliente desde el interior del cuerpo. Dado que venas y arterias corren en paralelo -pero en contracorrienteen las extremidades, la sangre más fría de las venas se calienta con la sangre más caliente del cuerpo y eso evita la pérdida de calor (Ejemplo: los pingüinos de la Antártida). El docente resume los eventos evolutivos asociados a la aparición de formas terrestres de animales y plantas.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Adaptación

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INDICACIONES AL DOCENTE

En la exposición de los distintos ejemplos es importante presentar las características anatómicas y orientar a los alumnos y alumnas con preguntas que los lleven a descubrir su significado adaptativo. Para complementar este ejemplo se recomienda consultar Charles Darwin El origen de las especies ilustrado. Editorial Reseña, pág. 57 (incluido en los Centros de Recursos del Aprendizaje).

Actividad 2

Informarse sobre la variedad de adaptaciones en las plantas y los animales para responder a cambios ambientales, diarios y estacionales. Ejemplo

El profesor o profesora presenta los siguientes casos de respuestas adaptativas de manera que se pueda promover la proposición de explicaciones o hipótesis de su significado funcional.

Ejemplos de respuestas a cambios diarios: 1) Los picaflores chilenos mantienen una alta tasa metabólica y alta temperatura corporal durante el día, lo que requiere que se alimenten constantemente del néctar de las flores. Dado que no pueden alimentarse de noche, bajan su tasa metabólica y su temperatura y entran en hipotermia (son incapaces de moverse). Al día siguiente, en cuanto sube la temperatura, salen inmediatamente a alimentarse y suben su tasa metabólica y temperatura. 2) En las plantas, muchas cierran sus flores durante la noche para impedir el enfriamiento de sus estructuras reproductivas mientras otras sólo abren sus estomas de noche cuando el estrés térmico es menor, para entonces intercambiar gases con el ambiente y completar el proceso de fotosíntesis.

Ejemplos de respuestas a cambios estacionales: 1) La gran mayoría de los mamíferos deja caer pelo (“pelechan”) durante los veranos para soportar mejor el calor y producen en cambio una cubierta densa de pelo durante los inviernos para aislarse mejor del frío y mantener su calor corporal. 2) La mayoría de los arbustos del matorral de Chile central dejan caer parte de su follaje (hojas) durante el verano, para así minimizar la pérdida de agua a través de los estomas. No dejan caer sus hojas durante el invierno, cuando el agua abunda y no hace calor. (Algunos árboles, como el plátano oriental, que dejan caer sus hojas durante el invierno, son traídos de regiones templadas del hemisferio norte).

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Actividad 3

Investigar sobre los diferentes receptores sensoriales y su grado de desarrollo en distintos organismos. Comunicar la información al curso. Ejemplo

Alumnos y alumnas, organizados en grupos pequeños, realizan una investigación bibliográfica acerca de las adaptaciones de los órganos sensoriales en distintos organismos y su relación con el ambiente en que viven y con sus formas de vida. Exponen esta información utilizando recursos gráficos.

Actividad 4

Analizar un texto con información sobre los grandes cambios adaptativos en la historia evolutiva de los grupos mayores de organismos. Ejemplo A

Alumnas y alumnos analizan en forma individual el siguiente documento aportado por el profesor o profesora. Después del análisis personal, debaten respecto a las evidencias que apoyan la idea de la transición de los organismos desde el ambiente acuático hacia una vida terrestre.

La salida de los vertebrados desde el agua Hoy se considera razonablemente cierto que los vertebrados terrestres, representados por los anfibios, reptiles, aves y mamíferos, surgieron de los vertebrados acuáticos por un proceso evolutivo hace 400 millones de años. Primero aparecieron peces de una forma de transición, que tenían branquias y pulmones y reaccionaban a la sequedad estacional, causada por cambios de las mareas, hundiéndose en el fondo de los charcos donde se encerraban de dos a ocho meses en un estado metabólico bajo. El retorno a la vida acuática activa ocurría con la subida de las mareas en la estación lluviosa. En la actualidad viven este tipo peces en las zonas intermareales africanas, poseen branquias y pulmones y se consideran fósiles vivientes ya que habitan en esta región desde hace 340 millones de años. Los primeros vertebrados terrestres son los anfibios que surgieron hace 370 millones de años y se encuentran emparentados con los actuales peces pulmonados, tal como lo han revelado observaciones embriológicas y anatómicas. Ambos tendrían un ancestro común que existió hace 390 - 410 millones de años. Tuvieron su mayor florecimiento durante el período devónico, poblaron todas las aguas del planeta, decayendo su diversidad a fines de la época primaria. Coincidentemente, surgen montañas en Europa y América, también grandes planicies que luego fueron inundadas y las características de la zona ecuatorial favorecen las sequías de ciertas lagunas.

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Adaptación

Ejemplo B

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Alumnas y alumnos examinan las características externas de una masa de huevos de organismos acuáticos (se obtienen en cangrejos, jaibas, langostinos y gambas en los mercados). El docente les recuerda que los anfibios depositan los huevos en el agua. Comparan sus observaciones con las realizadas en huevos de organismos terrestres. Orientarlos mediante preguntas tales como: ¿Cuál es el componente de mayor volumen en el huevo de ave? ¿Cuál es el componente mayoritario en la clara del huevo de ave? ¿Qué función le asignarían a la cáscara del huevo de ave? Discuten sus respuestas y las relacionan con un texto como el siguiente:

Los anfibios eran capaces de sobrevivir en tierra, pero necesariamente debían volver al agua para reproducirse, porque sus huevos se deshidratan rápidamente en tierra. Con la aparición del huevo cubierto por cáscara, los reptiles definitivamente se independizaron del agua para reproducirse y ello permitió la colonización de todo tipo de ambientes terrestres. Los mamíferos “inventaron” mantener el huevo dentro del tracto reproductivo, sin necesidad de cáscara, portando así sus crías hasta el momento del nacimiento.

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Actividad 5

Establecer relaciones entre el registro fósil y la adaptación de un linaje en tiempo evolutivo. Ejemplo

Alumnas y alumnos registran en una tabla como la siguiente los antecedentes aportados por el docente en relación el registro fósil de la línea evolutiva del caballo. Discuten qué relación podrían tener las modificaciones anatómicas con las características de los suelos y con una vegetación marcadamente herbácea, altamente resistente al pastoreo (gramíneas con hojas duras y abrasivas).

Nombre científico

Superficie de trituración de los dientes

Número de dedos: reducción

Altura

Tipo de alimentación

Período de aparición

Eohippus

De corona corta y sin pliegues en el esmalte.

Cuatro dedos en la patas anteriores y tres en las posteriores.

11 cm

Herbívoro de dieta amplia.

Eoceno

Mesohippus

Aún pequeños, se inicia el desarrollo de pliegues superficiales.

Tres dedos, el del medio es el más largo y soporta, posiblemente, el mayor peso.

24 cm

Fundamentalmente arbustos.

Oligoceno

Meryhippus

Molares exhiben numerosos pliegues.

Dedos laterales ya no tocan el suelo y el del medio está envuelto en una pezuña.

40 cm

Aumenta consumo de hierbas, con aporte de gramíneas.

Mioceno

Equus

De superficie amplia y surcada por pliegues longitudinales.

Un solo dedo adaptado a la carrera, no al salto, con rudimentos del segundo y cuarto dedo.

60 cm

Fundamentalmente gramíneas.

Pleistoceno reciente

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación • Adaptación

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Actividad 6

Observar y describir el funcionamiento de algunas estructuras especializadas en organismos unicelulares y discutir su homología y origen.

Ejemplo

Obtener muestras de agua de diversas fuentes estancadas (charcos, lagunas etc), observarlas al microscopio óptico, y realizar esquemas rotulados de los microorganismos, con ayuda del docente. Como alternativa se pueden observar fotografías o videos de diversos microorganismos. Establecen relaciones funcionales entre los cilios y flagelos de los microorganismos y los que se encuentran en las células del epitelio de la tráquea y en los espermios.

INDICACIONES AL DOCENTE

Se sugiere complementar bibliográficamente. Ver páginas 422, 423 y 424 de Invitación a la Biología de Curtis y Barnes. Ver páginas 527- 536 y Láminas V6. V7 y V8 de Biología Segunda Edición, de Villee y cols.

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Evaluación Unidad 4

Objetivo de la evaluación: Verificar conocimientos

Explicar brevemente por qué el registro fósil es una evidencia de la evolución. ¿Qué otras evidencias conoce Ud.? Explique brevemente por qué el aislamiento genético es necesario para la especiación.

Objetivo de evaluación: Aplicar habilidades y conocimientos

En la siguiente figura se muestran las formas de las caparazones de tortugas que viven en las distintas Islas Galápagos. Explique por qué su observación hizo pensar a Darwin en la idea de evolución.

Figura 41 Formas de caparazones de tortugas de las islas Galápagos

Unidad 4: Variabilidad, evolución y adaptación

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Criterios de evaluación Informarse

Razonar

Comunicar

Realizar

Criterios de evaluación Habilidad para: • Obtener y procesar información científica en diversas fuentes (texto, prensa, internet, video educativo, etc.) o bien en material entregado en clase, en forma oral o escrita, y extraer conclusiones. • Reconocer las interacciones de la ciencia con otros ámbitos de la sociedad. • Distinguir las contribuciones y limitaciones de la ciencia.

Habilidad para: • Reconocer variables y relaciones causaefecto. • Distinguir preguntas que pueden ser contestadas mediante investigación científica. • Identificar preguntas que guían una investigación científica. • Distinguir entre hechos y explicaciones.

Habilidad para: • Describir, argumentar, explicar, discutir o concluir, utilizando lenguaje escrito o hablado, con fundamento, conocimiento y vocabulario científico. Capacidad de: • Tolerar y respetar otras opiniones o explicaciones.

Destrezas: • Técnicas en la obtención y procesamiento de datos. Actitudes: • Cooperación, seguridad, honestidad en la obtención de datos experimentales o bibiográficos.

• Diseño y conducción de una investigación científica.

Procedimientos de evaluación • Interpretar fotografías, esquemas, gráficos, tablas o resúmenes. • Identificar componentes o detalles relevantes de una fuente de información. • Ordenar o restablecer una secuencia. • Selección múltiple, verdadero-falso. • Medir, contestar un cuestionario.

• Clasifica según distintos criterios.

• Expresión de opiniones y explicaciones.

• Relaciona nueva información con conocimentos previos.

• Redacción de informes o de una síntesis o conclusión luego de finalizar una actividad, etc.

• Propone explicaciones. • Elabora conclusiones y resúmenes. • Analiza información presentada en diversas formas. • Define preguntas y problemas que orienten el tema en discusión o investigación. • Resuelve problemas biológicos que impliquen cálculos matemáticos. • Formula críticas a un procedimiento, identifica errores en un procedimiento o conducta.

• Descripción de hechos, eventos, características de objetos, diseños experimentales o sus resultados, etc. • Disertaciones o intervenciones breves, redacción de informes, resúmenes, conclusiones en frases cortas.

• Representación de datos o variables en tablas, gráficos, modelos o esquemas funcionales, croquis o póster. • Realización de montajes experimentales (laboratorio). • Manipulación de instrumentos de observación (microscopio) y de medición (temperatura, presión, etc). • Participación en trabajos grupales.

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Guía para una evaluación sumativa

En las evaluaciones sumativas deben disponerse las preguntas y ejercicios de evaluación en orden de dificultad creciente, primero los relacionados con la verificación de la adquisición de conocimientos y luego los de aplicación de conocimientos y habilidades. 1. Verificar la adquisición de conocimientos • Asociar un concepto a una definición. • Completar un crucigrama. • Restablecer una secuencia. • Completar una tabla. • Verdadero y falso. • Rotular un esquema. • Definir un concepto. • Describir un proceso o fenómeno. • Describir un trayecto en un esquema.

2. Evaluar conjuntamente la aplicación de conocimientos y habilidades Habilidad para:

Informarse Lectura e interpretación de: • Texto • Tablas • Gráficos • Esquemas • Fotografías

Habilidad para:

Razonar Clasificar según uno o varios criterios: • Relacionar una información dada (tabla, texto, esquema, gráfico, etc) con los conocimientos adquiridos. • Formular explicaciones o hipótesis. • Establecer una conclusión. • Hacer comparaciones funcionales o estructurales. • Resolver problemas biológicos que impliquen cálculos matemáticos. • Analizar un examen. • Formular una crítica positiva o negativa de un procedimiento experimental, una conducta o un texto. • Identificar errores en un experimento o conducta.

Habilidad para:

Comunicar Utilizar lenguaje científico para: • Describir • Argumentar • Explicar • Discutir • Concluir

Habilidad para:

Realizar • Una tabla • Un gráfico • Un esquema funcional • Un montaje experimental • Un diseño experimental

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Anexo 1: Enseñando ciencia

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1. Conocer científicamente

La actividad de conocer científicamente puede esquematizarse de la siguiente manera: a) Descripción del o los fenómenos a explicar. b) Proponer una hipótesis explicativa. Sistema de conceptos capaz de explicar el fenómeno en observación. c) Deducción de otros fenómenos a partir de la hipótesis explicativa. d) Observación de los fenómenos deducidos, distinguiendo las evidencias que apoyan o refutan la hipótesis. Estas etapas no se dan necesariamente en el orden expuesto pero siempre están presentes (Adaptado de: H. Maturana y F. Varela, El árbol del conocimiento). Un conocimiento o hipótesis es considerado científico si tiene como característica la posibilidad de ser refutado por la experiencia a través de observaciones y experimentación. Si no admite esta posibilidad no puede considerarse un conocimiento empírico o científico.

2. Actitud científica

Como parte de una actitud científica se pueden considerar los siguientes aspectos: a) Capacidad de observación e interés en someter a prueba sus opiniones y creencias, mostrando disposición a cambiar de opinión sobre la base de nuevas evidencias. b) Tendencia a buscar explicaciones válidas y completas, sin prejuicios. c) Tener conceptos sobre relaciones de causa y efecto. d) Hacerse el hábito de basar sus juicios en hechos. e) Tener la capacidad de distinguir entre hechos y teorías.

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3. Guía para diseñar actividades de indagación científica

a. Propósito de la indagación científica como estrategia multifacética de aprendizaje

En cada nivel y en cada dominio de la ciencia, los estudiantes deben tener la oportunidad de utilizar la indagación científica y desarrollar la capacidad de pensar y actuar de manera acorde con la indagación. Esto incluye la formulación de preguntas, planificación y conducción de investigaciones, la utilización de herramientas y técnicas apropiadas para colectar datos, pensamiento lógico y crítico acerca de las relaciones entre evidencia y explicación, construcción y análisis de explicaciones alternativas, y comunicación de argumentos científicos. En estas actividades tendrán la oportunidad para moldear sus experiencias acerca de la práctica de la ciencia y las reglas del pensamiento y conocimiento científico. Involucrar a alumnas y alumnos en procesos de indagación ayuda a desarrollar: • El entendimiento de los conceptos científicos. • Una apreciación de cómo conocemos y qué conocemos en ciencia. • Entendimiento sobre la naturaleza de la ciencia. • Habilidades para llegar a ser inquisidores independientes acerca del mundo natural. • Disposiciones para utilizar las habilidades, capacidades y actitudes asociadas con la ciencia. Durante las actividades de indagación los estudiantes interactúan con sus profesores y profesoras y sus pares. Establecen conexiones entre los temas científicos que están tratando y aprendiendo y el conocimiento científico que encuentran en diversas fuentes. Aplican contenido científico a nuevas cuestiones o preguntas, se involucran en la búsqueda de solución a problemas, en la planificación, toma de decisiones, y discusiones grupales. Los alumnos y alumnas tendrán la oportunidad de comprometerse en procesos de investigación o indagación completa o parcialmente, partiendo de cuestiones de interés e importancia para ellos. En una indagación completa, luego de la fase de formulación de una pregunta clara, guiados por el docente, diseñarán una investigación, buscarán y recolectarán evidencias, propondrán una respuesta a la pregunta original, y comunicarán tanto el proceso que siguieron como los resultados de la investigación. En un proceso de indagación parcial, se ejercitarán en cualquiera de estas etapas y aspectos. Por ejemplo, en la definición de preguntas o de un problema de interés, en la descripción de cómo realizarían la investigación, en el desarrollo de explicaciones en base a información científica y a evidencias provistas por el docente durante la clase. Las preguntas pueden ser contestadas y las explicaciones probadas, ya sea, mediante montajes experimentales, recolección de datos atingentes, o una investigación bibliográfica. El programa tiene diversos aspectos y ejemplos que se prestan a estas prácticas.

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En todas las etapas de la indagación el profesor o profesora guirá, enfocará, desafíará y estimulará a los estudiantes. Es importante que se cuestionen y desafíen las creencias populares del alumnado ofreciéndoles explicaciones con base científica como alternativas. En las discusiones abiertas o en la búsqueda de explicación a las observaciones debe intervenir el docente para enfocar las ideas, llamar y mantener la atención sobre el tópico en cuestión, y desafiar a los estudiantes a que formulen nuevas explicaciones, para asegurar que la experiencia llegue a producir entendimiento sobre la materia. Una intervención prematura los priva de las oportunidades de confrontar los problemas y encontrar las soluciones. A su vez, una intervención demasiado tardía tiene el riesgo de frustrar a los estudiantes. Los alumnos y alumnas deben planear y hacer presentaciones al resto de la clase acerca de su trabajo, decidiendo ellos mismos la manera de organizar y presentar los datos. Deben explicar y justificar su trabajo a sí mismos y a otros como un medio para desarrollar una actitud científica, al ejercitar la capacidad de poner a prueba la validez del conocimiento que han producido en sus búsquedas e indagaciones, y de aceptar y reaccionar positivamente a las críticas constructivas de los demás. Con el conjunto de estas prácticas, que se repitirán en los proximos años, se irá moldeando un entendimiento de lo que és una indagación científica.

b. Indicaciones generales sobre una indagación científica

• Los estudiantes primero deben establecer y luego refinar los métodos, materiales y datos que coleccionarán. • Se les debe motivar y estimular a repetir los procedimientos de colección de datos y a compartir información y datos entre grupos. • Los alumnos y alumnas producirán reportes orales o escritos que presenten los resultados de sus indagaciones. Estos reportes y discusiones deben ser frecuentes. • Debe evitarse un enfoque rígido en la investigación e indagación científica, como la de abocarse a un cierto “método científico”. • No debe intentarse que los estudiantes memoricen las habilidades y los entendimientos que da la investigación científica. Estas habilidades y formas de comprender el mundo se logran sólo involucrándolos en frecuentes actividades de indagación.

c. Definiendo las preguntas en una indagación científica

Antes de desarrollar actividades de investigación, alumnas y alumnos deben ser instruidos y guiados para que puedan identificar, dar forma y entender la pregunta que estará bajo investigación o indagación. Esto incluye que sepan claramente lo siguiente: 1) cuál es la pregunta que se está haciendo; 2) cuál es el conocimiento que sirve de base y de marco para esa pregunta; 3) qué es lo que tendrán que hacer para contestar la pregunta.

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Preguntas para ayudar a enfocar una investigación: • ¿Qué es lo que queremos saber o explicar acerca de...? • ¿Qué tipo de observaciones serían las más adecuadas y cómo podríamos hacerlas? • ¿Es ésta la mejor manera de contestar nuestras preguntas? • Si hacemos esto ¿qué esperamos que ocurra? Preguntas que deben hacerse y ser contestadas durante la investigación: • ¿Qué datos responderán la pregunta? • ¿Cuáles son las mejores observaciones y mediciones que se deben hacer? Preguntas que deben hacerse para centrar las discusiones: • ¿Cómo organizaremos los datos para presentar la más clara respuesta a nuestra pregunta? • ¿Cómo debemos organizar la evidencia para presentar la más fuerte explicación?

d. Habilidades necesarias para realizar una indagación científica

Identificación de preguntas que pueden ser contestadas mediante la investigación científica Los estudiantes deben desarrollar la habilidad de refinar y re-enfocar preguntas muy amplias o mal definidas. Esta habilidad compromete la capacidad de clarificar preguntas e indagaciones y de dirigirlas hacia objetos o fenómenos que, en este caso, pueden ser descritos, explicados, o predichos por investigaciones científicas. Los alumnos y alumnas deben desarrollar la habilidad de identificar sus preguntas con las ideas y conceptos científicos, y con las relaciones cuantitativas que guían su investigación. Diseñar y conducir una investigación científica Los estudiantes deben desarrollar habilidades generales, tales como la observación sistemática, la medición adecuada, la identificación y control de variables. También deben desarrollar la habilidad de aclarar las ideas que guiarán e influenciarán su investigación. Deben entender cómo se comparan esas ideas con el conocimiento científico sobre el tema. Deben aprender a formular preguntas, diseñar investigaciones, ejecutar investigaciones, interpretar datos, utilizar evidencia para generar explicaciones, proponer explicaciones alternativas, y criticar explicaciones y procedimientos.

Utilizar herramientas y técnicas adecuadas para recolectar, analizar e interpretar datos Las técnicas y herramientas, incluyendo las matemáticas que se utilizarán, serán elegidas de acuerdo con el tipo de pregunta que se pretende contestar y con el diseño experimental. Deben utilizar

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recursos computacionales para coleccionar, resumir y presentar evidencia. Deben saber acceder a los datos, agruparlos, guardarlos, recuperarlos y organizarlos, utilizando programas computacionales diseñados para estos fines. Desarrollar descripciones, explicaciones, predicciones y modelos basados en evidencias Deben aprender a basar sus explicaciones en lo que observan. A medida que desarrollan habilidades cognitivas deben ser capaces de diferenciar la explicación de la descripción, estableciendo las causas para ciertos efectos y las relaciones basadas en evidencias o argumentos lógicos. Pensamiento crítico y lógico para hacer relaciones entre evidencia y explicación Pensar críticamente acerca de evidencia incluye decidir qué evidencia debe ser utilizada y dar cuenta de datos anómalos. Los estudiantes deben ser capaces de revisar datos a partir de experimentos simples, resumir los datos, y formular un argumento lógico acerca de las relaciones causa-efecto en el experimento. Deben comenzar a establecer explicaciones que relacionen dos o más variables. Reconocer y analizar explicaciones alternativas y predicciones Deben desarrollar la capacidad de escuchar y respetar las explicaciones de otros estudiantes. Deben permanecer abiertos a otras ideas, darles crédito y reconocimiento, ser capaces de aceptar el escepticismo de los demás y considerar explicaciones alternativas. Comunicación de procedimientos y explicaciones científicas Deben llegar a ser competentes en la comunicación de los métodos científicos, el seguimiento de instrucciones, la descripción de observaciones, resumir los resultados de otros grupos, relatar a otros estudiantes las investigaciones y explicaciones. Utilizar matemáticas en todos los aspectos de la indagación científica Comprender que las matemáticas son esenciales en la formulación y respuesta a preguntas acerca del mundo natural. Pueden utilizarse para hacer preguntas, agrupar, organizar, y presentar datos; y para estructurar explicaciones convincentes.

e. Entendiendo el significado de la indagación científica

Las siguientes consideraciones ayudarán a guiar al alumnado en sus actividades y a responder sus preguntas a lo largo de toda la enseñanza, de manera que puedan efectivamente forjarse una idea definida de lo que es la ciencia y la indagación científica: • Diferentes tipos de preguntas llevan a diferentes tipos de investigación científica. Algunas investigaciones involucran la observación y descripción de objetos, organismos, o eventos mientras

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que otras involucran la recolección de especímenes. Algunas requieren experimentos y otras la búsqueda de mayor información. Algunas llevan al descubrimiento de nuevos objetos y fenómenos, otras involucran la construcción de modelos. • El conocimiento científico y el entendimiento son las guías de la investigación científica. Diferentes áreas de la ciencia emplean diferentes métodos, teorías centrales, y estándares para avanzar en el conocimiento y entendimiento científico. • Las matemáticas son importantes en todos los aspectos de la indagación científica. • La tecnología utilizada para recolectar datos aumenta la seguridad y precisión y permite a los científicos analizar y cuantificar los resultados de las investigaciones. • Las explicaciones científicas enfatizan la evidencia, utilizan argumentos con consistencia lógica y principios científicos, modelos y teorías. La comunidad científica acepta y utiliza tales explicaciones hasta que sean desplazadas por otras científicamente más adecuadas o mejores. • La ciencia avanza en base al escepticismo. Parte de la indagación científica es cuestionar las explicaciones de otros científicos y hacerles preguntas inquisitivas. Los científicos evalúan las explicaciones propuestas por otros científicos examinando la evidencia, comparando evidencias, identificando fallas en el razonamiento, sugiriendo proposiciones que están más allá de las evidencias, y sugiriendo explicaciones alternativas para las mismas observaciones. • Las investigaciones científicas a veces resultan en nuevas ideas y fenómenos para estudiar, generan nuevos métodos o procedimientos de investigación, o desarrollan nuevas tecnologías que mejoran la recolección de datos. Todos estos resultados pueden llevar a nuevas investigaciones.

Texto adaptado de: National Academy of Sciences, U. 1996. National Science Education Standards. N.A. Press, editor.

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Anexo 2: Temas de interés

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1. Estrés y adaptación

La pregunta que primero surge del estudiante se refiere a ¿qué es el estrés? El estrés corresponde a una reacción fisiológica, defensiva ante una amenaza; que puede perturbar la normalidad humoral y psiológica. El estrés es un comportamiento automático, adaptativo y defensivo, heredado, ante la amenaza, llevando a la activación neuro-endocrina. Al decir heredado o instintivo afirmamos que no es adquirido. El estrés tiene varios componentes: estresor, regulación ante múltiples variables, condiciones psico-culturales del individuo, cambios en el medio interno (sangre) con elevación de hormonas adaptativas, emoción, disposición para atacar, perseguir o arrancar. Este comportamiento fue originalmente investigado por el gran fisiólogo estadounidense Walter Cannon, de la Universidad de Harvard, Boston. Con excepcional creatividad y espíritu de observación, describió la respuesta conductual del gato ante la amenaza de su enemigo el perro. Aunque protegido el gato en el interior de una amplia jaula, la actitud amenazante y peleadora del perro, más sus insistentes y penetrantes ladridos, provocaban la respuesta defensiva del gato, con dilatación de sus pupilas, que confiere ferocidad a la mirada, encogimiento engrifado corporal, como dispuesto a atacar con abertura de las garras. Obsérvese que el estresor amenazante llega por la vista y oído. Cannon fue el primero en describir el comportamiento del estrés, en usar la palabra estrés, en inglés “shess” (25 años antes que Selye, que la empleó y divulgó), y en descubrir que el sistema nervioso automático que secreta adrenalina tiene un papel principal. Es también el creador del concepto de la homeostasis (de homeo= igual y stasis= estado) que resume la regulación de los niveles basales de hormonas (adrenalina, insulina, etc), substancias (glucosa) y electrolíticos (sodio y potasio). Después de Cannon, Hans Selye (1907-1982) originario de Hungría, es el gran investigador que descubre la participación de la hipófisis y suprarrenal en el estrés, creando el Síndrome General de Adaptación y reabriendo el tema del estrés en 1946. Descubrió los efectos anti-inflamatorios del cortisol y enriqueció y divulgó profusamente sus novedosas investigaciones, logrando imponer la noción del estrés, muy combatida en sus comienzos. Pensó que una de las hormonas de la hipófisis, el ACTH, al estimular la secreción del cortisol, pasaba a ser la hormona típica del estrés, lo que fue un avance clave en el tema. Conviene diferenciar el estresor del estrés. Llamamos estresor al agente productor y estrés a la respuesta. Algunos estresores agudos pueden ser traumáticos (accidentes, incendio, asalto con arma) o psicológicos (muerte inesperada de un ser querido, importante derrota, pérdida laboral). Son también estresores el dolor físico y el sufrimiento. El sistema nervioso central es capaz de distinguir a los estresores y reaccionar según sean los casos.

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El cerebro recibe la acción del estresor (agente productor) y lo transmite a un centro de procesamiento ubicado en la base del cerebro, llamado hipotálamo. Este centro tiene a su cargo el control de la temperatura, consumo y distribución del agua y electrolitos, apetito y saciedad, comando de hormonas y otras funciones. El procesamiento de las señales de estrés lleva a la liberación de adrenalina y cortisol en las glándulas suprarenales controladas por el sistema nervioso autonómico simpático. Con fines de simplificación nos concentraremos solamente en la adrenalina y cortisol que se liberan a la sangre durante el estrés. La adrenalina produce un efecto anti-fatigante muscular (resistencia para correr) con estimulación de la actividad intelectual y viveza de reacciones reflejas. La adrenalina, junto con dilatar las pupilas, confiere expresión fisonómica de cierta fiereza. El cortisol es una hormona indispensable para la vida. Entre sus variadas acciones destacamos una de las más notables: el cortisol estimula el reciclaje de las substancias de desecho, tales como ácido láctico, urea y otras, que produce el músculo en cada contracción. Estas substancias salen del músculo y llegan por la circulación al hígado donde son utilizadas para regenerar glucosa. Gracias a este proceso, podemos resistir el ayuno hasta por períodos muy prolongados, aunque sea consumiendo la musculatura. Es necesario distinguir dos tipos principales de estrés: el agudo y el crónico. El primero corresponde a lo que la gente frecuentemente considera como estrés: una tensión brusca pero pasajera, mientras que el segundo se identifica con una tensión permanente, que al persistir, aunque sea con menor intensidad, de todos modos se percibe como reiterada molestia. Cada uno de estos estreses posee reacciones propias y distintas, siendo el estrés crónico el más peligroso y apto para producir enfermedad (mayor potencialidad patógena). Una experiencia jubilosa provoca emoción sin estrés. ¿Cómo se puede distinguir una emoción normal de otra provocada por el estrés? En la primera la emoción es fuerte pero con un sentido agradable y no perturba la normalidad mental, la mente permanece lúcida y todo se recupera en minutos (mera estimulación). En contraste, en la segunda, la emoción es tan fuerte que la mente queda confusa, a veces por un cierto tiempo (activación). No es posible concentrarse y la persona está algo diferente, a veces por uno o dos días, con el peligro de cometer errores conductuales (accidentes laborales). ¿Puede existir estrés prolongado, es decir, crónico? Se ha dicho que el estrés es una respuesta ante una agresión. Entonces debería cesar una vez cesada la agresión. Vimos el concepto fisiológico de activación por el cual la respuesta puede durar. Una de las demostraciones más convincentes respecto a la prolongación de la respuesta estresadora proviene de la respuesta al duelo por la pérdida de un ser querido, como el padre o la madre, cónyuge, hijo o hija. Durante 2 o 3 semanas la prueba de laboratorio con los linfocitos de la sangre pone en evidencia una indiscutible inhibición inmunológica que significa caída de las defensas contra las infecciones. En el estrés crónico prospera la enfermedad psico-somática (de psíquica y soma = cuerpo). Se puede reconocer que unas de las enfermedades más frecuente de nuestra época es la relacionada con estrés, porque la población vive acosada por una variedad de estresores, de modo especial en las grandes ciudades (contaminantes múltiples, tabaco, droga, violencia, tráfico, robo.) Anotemos que el estresor psicológico ha pasado a ocupar el lugar más frecuente como agente causal de estrés. Conocer el estrés puede conducir a entenderlo y manejarlo. Saber lo que nos está pasando, alivia el susto y la preocupación.

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2. Conociendo cómo actúan las drogas: “los sicofármacos”

Proteínas, blanco de la acción de muchas drogas

Las drogas, los remedios o los fármacos son sustancias de origen natural o de síntesis química que modifican la actividad celular. Las drogas, como todas las moléculas, tienen una estructura definida por sus átomos; su conformación espacial cambia con el movimiento térmico molecular. Las drogas interactúan con las proteínas y otras macromoléculas de las células. La gran mayoría de las drogas se unen o asocian con las proteínas del cuerpo a través de fuerzas moleculares relativamente débiles, como las uniones electrostáticas, puentes de hidrógeno, o fuerzas hidrofóbicas. Esto significa que la unión de las drogas a las proteínas es transitoria, o reversible, ya que estas interacciones son relativamente inestables. La unión de las drogas depende de su estructura espacial, concepto que se conoce como unión estereo-específica. Esto quiere decir que la unión de las drogas a las proteínas, por ejemplo, no es sólo específica para cada molécula por su estructura sino que, además, la unión reconoce la orientación espacial de los átomos en cada molécula. Existen moléculas idénticas en estructura y composición, pero que sólo difieren en la orientación espacial de sus átomos. Estas moléculas se llaman isómeros ópticos o enantiómeros. Muchas proteínas del cuerpo reconocen los isómeros ópticos con diferencias de actividad entre 10 y 10.000 veces. Así por ejemplo, la hormona adrenalina tiene 2 isómeros ópticos: la L-adrenalina y la D-adrenalina. La L-adrenalina aumenta la frecuencia cardíaca en dosis 100 veces menores que la D-adrenalina. El cuerpo sólo sintetiza L-adrenalina, pero en los laboratorios químicos se sintetizan ambas. Como resultado de la unión estereo-específica de las drogas con las proteínas, éstas cambian la actividad funcional de muchas proteínas. La interacción de las drogas con las proteínas se puede traducir en aumento o disminución de su actividad biológica. Al conjunto de drogas que aumentan la actividad de enzimas u otras proteínas se las llama agonistas, mientras que aquellas drogas que inhiben la acción de las enzimas y otras proteínas se llaman antagonistas. Por lo tanto, los sicofármacos pueden ser agonistas o antagonistas.

Las drogas tienen especificidad tisular

Las drogas se unen en forma relativamente selectiva sólo a algunas macromoléculas, las que a su vez se localizan sólo en determinados tejidos, particularmente en algunos tipos de células. Por esta razón, la gran mayoría de las drogas son bastante específicas, especialmente cuando se usan en dosis bajas.

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Existen drogas que actúan modificando sólo el metabolismo bacteriano ya sea porque inhiben la síntesis de proteínas, o de los ácidos nucleicos, o de algunos metabolitos esenciales de éstas células. Al conjunto de estas drogas tan particulares se las llama comúnmente antibióticos y se usan en medicina para combatir enfermedades infecciosas causadas por las diferentes bacterias. Otras drogas presentan cierta especificidad por las células del corazón y se usan en medicina para aumentar la fuerza de contracción de este músculo o para modificar el ritmo cardíaco. Hay drogas que actúan en el riñón favoreciendo la eliminación de agua. Estas drogas son los diuréticos, compuestos que se usan desde hace muchos años en la práctica médica para tratar una serie de enfermedades. Los sicofármacos

Una familia de drogas muy interesante afecta en forma relativamente exclusiva el funcionamiento del cerebro y por lo tanto del sistema nervioso. Muchas de estas drogas modifican la conducta tanto de los seres humanos como de los sujetos experimentales, es decir, los animales de uso corriente en los laboratorios de investigación: ratas, ratones o conejos. A la familia de drogas que actúan en el sistema nervioso central se las conoce como sicofármacos. Estas drogas afectan la “psiqué,” es decir, los estados de la mente. Sólo una parte de los sicofármacos, son drogas de abuso, es decir aquellas drogas que se consumen en forma compulsiva y desarrollan el fenómeno de la drogadependencia. Por ejemplo, drogas como la fenitoína o la carbamacepina, prototipo de medicamentos antiepilépticos, sin dudas son sicofármacos porque reducen la estimulación cerebral. Otro tanto sucede con los anestésicos generales que alteran el estado de conciencia. Sin embargo, a pesar de que los enfermos con epilepsia usan estas drogas por años, estos pacientes no se hacen dependientes de este tipo de drogas, como tampoco son dependientes las personas que fueron anestesiadas. El alcohol etílico, o el etanol, principio activo común a la cerveza, el vino, el pisco y tantas bebidas alcohólicas, también reduce la estimulación cerebral, pero a diferencia de las drogas antiepilépticas, causa rápida y muy severa droga-dependencia. Por lo tanto, el alcohol, a diferencia de las drogas antiepilépticas o los anestésicos generales, es un sicofármaco de abuso, es decir que produce adicción.

Repasando las sinapsis, la acción de los neurotransmisores y sus receptores

Hace aproximadamente cien años, el sabio español Santiago Ramón y Cajal, utilizando un primitivo microscopio examinó minuciosamente una infinidad de cortes cerebrales. Observó que las neuronas no estaban unidas entre sí. Estudios posteriores, con los poderosos microscopios electrónicos, precisaron que la unión entre neuronas denota un espacio físico particular constituido por los terminales especializados de las membranas de las células adyacentes. Uno de estos terminales, el llamado pre-sináptico se caracteriza por la presencia de una enorme cantidad de pequeñas vesículas, las que almacenan los neurotransmisores. Estas son sustancias químicas que usa la neurona para comunicarse con otra neurona. Se definió la sinapsis como el espacio interneuronal, el sitio donde ocurre la liberación de los neurotransmisores. La neurona, o la célula que recibe los neurotransmisores se llama neurona post-sináptica.

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Se han identificado numerosos neurotransmisores, tanto en el sistema nervioso central como en el sistema autonómico y los ganglios mientéricos. Estos son de naturaleza química muy diferente: algunos son aminas, mientras otros son ácidos. Algunos son aminoácidos, otros son lípidos, otros contienen azúcares, mientras otros son péptidos. Recientemente se han identificado 2 neurotransmisores que son gases muy sencillos. Uno de ellos es el óxido nítrico (NO), y el otro es el monóxido de carbono (CO). Todos los neurotransmisores se liberan en la sinapsis e interactúan con proteínas específicas llamadas receptores. La unión del neurotransmisor con su receptor gatilla una respuesta celular que activa o inhibe la neurona. Cada neurotransmisor interactúa con uno o varios receptores que le son exclusivos, de la misma forma como las llaves abren una cerradura. Existen esencialmente dos tipos de receptores para neurotransmisores. Uno de ellos se caracteriza porque transporta iones al interior de la célula, mientras otra extensa familia de receptores está acoplada a la síntesis de mensajeros intracelulares. Por lo tanto, como consecuencia de la interacción de un neurotransmisor con su receptor, o se movilizan iones al interior de la neurona post-sináptica o se activa la síntesis de mensajeros intracelulares. Según la naturaleza del neurotransmisor y su receptor, el resultado del reconocimiento y unión de los neurotransmisores con su receptor hace que la neurona post-sináptica se despolarice (neurotransmisor excitatorio) o se hiperpolarice (neurotransmisor inhibitorio). Muchos sicofármacos se unen a estos receptores y activan o inhiben la sinapsis. Ejemplos clásicos son dos neurotransmisores ampliamente estudiados: la acetilcolina y el ácido gama aminobutírico o GABA. La acetilcolina es el neurotransmisor de la unión neuromuscular de los mamíferos, el transmisor químico que nos permite movilizarnos. En esta sinapsis, la acetilcolina interactúa con el receptor nicotínico, también conocido como el receptor de la placa motriz, para diferenciarlo de otros receptores nicotínicos localizados en los ganglios o en el cerebro. Este receptor es una proteína constituida por cinco subunidades que forman un canal iónico muy selectivo, pero no exclusivo, para el catión sodio. La unión de la acetilcolina a este receptor se traduce en un cambio en la conformación de este conjunto de proteínas lo que abre durante mili-segundos el canal, posibilitando la entrada de sodio al interior del músculo esquelético. La entrada de carga positiva al músculo lo despolariza iniciando el proceso de la contracción muscular. Por otro lado, el GABA interactúa con el receptor GABA-A, el cual es también una proteína con 5 subunidades que forma un canal selectivo para el anión cloruro. Cuando el GABA se une a su receptor, éste cambia la conformación del receptor y abre el poro del canal permitiendo la entrada de cloruros. Esto aumenta la carga negativa en la sinapsis e impide su despolarización.

La acción de muchos sicofármacos ocurre a nivel de la sinapsis

Investigaciones de eminentes farmacólogos y fisiólogos durante los últimos 30-40 años han permitido precisar que la acción de la gran mayoría de los sicofármacos ocurre a nivel de la sinapsis. Se conocen diversos mecanismos que explican cómo los sicofármacos pueden modificar la conducta humana. Uno de ellos es que en la sinapsis los sicofármacos son reconocidos y se unen a los receptores de los neurotransmisores. Otro mecanismo indica que los sicofármacos modifican el almace-

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namiento de los neurotransmisores en las vesículas sinápticas o interfieren con el sistema de reciclaje de éstos. Otros mecanismos incluyen la modulación del receptor donde actúan los neurotransmisores, o la acción de éstos en canales iónicos o de transporte de metabolitos esenciales. Un mecanismo de acción muy común de los sicofármacos es el de remedar la acción de algún neurotransmisor en los receptores de la sinapsis. Este efecto ocurre aparentemente porque existen grandes homologías estructurales entre la conformación espacial de los sicofármacos y los neurotransmisores. Esta similitud permite que los sicofármacos activen o inhiban los receptores para los neurotransmisores. Un ejemplo relativamente bien estudiado es el de la nicotina. Este alcaloide, el producto natural de la planta Nicotiana tabacum, imita la acción de la acetilcolina en los receptores nicotínicos. La nicotina llega al sistema nervioso y activa los receptores nicotínicos. Esto se traduce en cambios conductuales, porque aumenta la actividad de estos receptores en ciertas vías neuronales del cerebro. Otro tanto sucede con la morfina, el alcaloide de Papaver somniferum. Este poderoso analgésico reconoce y activa los receptores opioides del sistema nervioso porque imita la acción de las endorfinas, que son neurotransmisores de naturaleza peptídica. Todos estos ejemplos son de sicofármacos que actúan como agonistas. Existen otros sicofármacos que son antagonistas, es decir, inhiben la acción de los neurotransmisores. Un ejemplo de estas drogas es la estricnina, un alcaloide que es un poderoso estimulante del sistema nervioso que produce convulsiones. La estricnina antagoniza la acción inhibitoria del neurotransmisor GABA. Como resultado de la inhibición de estas sinapsis, predominan las sinapsis excitatorias que llevan a que los sujetos intoxicados con estas drogas presenten severos cuadros convulsivos. Otros sicofármacos como el diazepam y derivados, conocidos miembros de la familia de las benzodiazepinas, se unen a un receptor para benzodiazepinas que es parte del receptor GABA-A, facilitando la unión de GABA a este receptor. La activación del receptor de las benzodiazepinas hace que el canal de cloruro, que naturalmente abre el GABA, se abra más, aumentado la cantidad de cloruros que entran a la célula. Este mayor influjo de carga negativa impide que éstas se despolaricen, explicando el efecto inhibitorio de estos sicofármacos. Este aumento de inhibición, o hiperpolarización, explica la acción sedativa y ansiolítica de esta importante familia de sicofármacos.

Los sicofármacos modifican redes neuronales cerebrales

Para dilucidar cómo los sicofármacos modifican la conducta, no basta con entender la unión de estas drogas con receptores cerebrales. Es necesario explicar cómo esta acción modifica vías neuronales cerebrales comprometidas en la conducta. Las neuronas están organizadas en torno a redes. Por lo tanto, el bloqueo o la activación de una determinada sinapsis en un núcleo cerebral preciso, hará que se modifique no sólo esa sinapsis, sino la actividad de una red neuronal, ya sea que ésta se inhiba o se exacerbe. Los sicofármacos actúan en todas las sinapsis del cerebro a las que tengan acceso. El cambio conductual que se observa luego de administrar un sicofármaco es la actividad integrada de todas las sinapsis y redes neuronales que se modifican por la acción del sicofármaco, en todos los núcleos cerebrales donde este sicofármaco actuó.

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La cocaína es un poderoso estimulante que inhibe el mecanismo de reciclaje de un conjunto de neurotransmisores llamados las aminas biogénicas, que incluye a la noradrenalina, dopamina y la serotonina. Estos neurotransmisores están localizados en muchos núcleos cerebrales. La cocaína bloquea el mecanismo de transporte intraneuronal de todas las aminas biogénicas. De esta manera, la noradrenalina, la dopamina y la serotonina permanecen más tiempo en la sinapsis, activando de forma mantenida sus receptores. Como resultado de esta acción, aumenta significativamente la excitabilidad cerebral. Sin dudas, la cocaína exacerba todas las vías neuronales donde las bioaminas actúan. El mecanismo de la cocaína es semejante, pero no igual, al de numerosos antidepresivos del tipo de la fluoxetina y drogas símiles, las que también interfieren con el reciclaje de las bioaminas. El uso de fluoxetina durante meses ha resultado útil en el tratamiento de enfermos de depresión. El mecanismo definitivo de la acción de estas drogas es aún desconocido. Estos ejemplos demuestran que la acción de los sicofármacos es muy compleja, y que no ha resultado obvio entender cómo estas drogas modifican la conducta humana. Estos ejemplos apoyan la interesante conclusión de que los sicofármacos pueden aumentar la excitabilidad neuronal a través de dos mecanismos diferentes: 1) bloquear sinapsis inhibitorias, o 2) estimular sinapsis excitatorias. Por analogía, la acción inhibitoria de los sicofármacos se logra porque éstos aumentan la actividad de sinapsis inhibitorias o bloquean las excitatorias.

Droga-dependencia

El uso crónico de muchos sicofármacos, como la nicotina, el alcohol, las benzodiazepinas, la cocaína, etc., produce adicción. Es decir, el uso repetido de estas drogas evidencia la tolerancia y dependencia. Estas son dos condiciones complementarias que establecen las bases de la droga-dependencia. La tolerancia se refiere al hecho de que con el uso crónico de un sicofármaco, la dosificación inicial se hace menos eficaz. Por lo tanto, se necesitan dosis mayores para experimentar los efectos iniciales de la droga. La dependencia se refiere, en cambio, a que el individuo necesita la droga y la busca en forma enérgica y compulsiva. Si este individuo no adquiere el sicofármaco, experimentará una serie de signos y síntomas que acusan su dependencia física y sicológica de la droga. La dependencia manifiesta el llamado síndrome de privación, que es un conjunto de signos y síntomas característico de la abstinencia de cada sicofármaco de abuso. Ambos fenómenos se desarrollan paralelamente. Si hay dependencia a un sicofármaco, también hay tolerancia y viceversa. El abuso de todos los sicofármacos desarrolla tolerancia y dependencia. Los sicofármacos que desarrollan más dependencia son la nicotina, la cocaína y el alcohol. Numerosos estudios demuestran que luego de 3-4 administraciones secuenciales de cocaína se produce dependencia. Otro tanto ocurre con la nicotina y etanol. Una vez que ésta se establece, es difícil liberarse de esta adicción, ya que la dependencia abre un apetito que busca desenfrenadamente la droga. Los adictos no pueden y temen dejar la droga; su ausencia despierta el síndrome de privación. El uso crónico de morfina y heroína no sólo produce dependencia, sino además una severa tolerancia, lo que lleva a escalar la dosis de estas drogas. En el caso de la heroína, la dosis de mantención de un

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individuo dependiente puede ser fácilmente 50-100 veces mayor que la dosis de uso inicial. Esta escalada en el abuso de la droga se puede desarrollar en cuestión de meses. Los mecanismos celulares que explican el desarrollo de la tolerancia y dependencia son aún desconocidos, aunque las bases moleculares de este fenómeno se investigan intensamente. Aparentemente la droga-dependencia se relaciona con adaptaciones de las células blanco a la estimulación continua de sus receptores, lo que implica cambios en la expresión génica y la síntesis de proteínas particulares.

Bases genéticas del alcoholismo

Existen antecedentes respecto a que el alcoholismo tiene un componente hereditario que predispone al consumo del etanol. Tal vez esto también ocurre con otras drogas de abuso, pero esto aún no se sabe con certeza. Antecedentes fidedignos afirman que de padres alcohólicos nacen con mayor frecuencia hijos que de adultos serán alcohólicos. Este hecho no está relacionado con el ejemplo familiar, sino aparentemente con la existencia de genes que codifican para esta conducta. Se sospecha que existen al menos 7 genes que codifican para el alcoholismo. Se sabe, por ejemplo, que mellizos hijos de padres alcohólicos serán bebedores aunque ellos se críen separados en familias no bebedoras. Esta característica permite señalar con cierta convicción que el alcoholismo tiene una base genética que prima por sobre lo netamente social. La mejor demostración de las bases genéticas del alcoholismo la hizo un investigador chileno, el Dr. Jorge Mardones R. profesor de la Escuela de Medicina de la Universidad de Chile. Él desarrolló una cepa de ratas que son bebedores compulsivos de etanol. Separó las ratas bebedoras de las abstemias y ha mantenido una colonia de animales de investigación que han preservado esta característica por más de 100 generaciones de estos animales (más de 30 años). Las ratas desarrolladas por el profesor Mardones son famosas en el mundo científico que estudia las bases celulares del alcoholismo, y son un modelo extraordinariamente novedoso para estudiar la genética del alcoholismo. Siguiendo el ejemplo de este investigador, se estudia igualmente la genética que dispone a otras drogas de abuso. Sus resultados son aún incipientes, pero mostrarán frutos a corto plazo.

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3. Fundamentos de la droga-dependencia

El uso habitual de drogas como el alcohol, marihuana, nicotina y tantas otras sustancias de abuso, conduce a la adicción, fenómeno también conocido como droga-dependencia. Si bien las bases neuroquímicas de este fenómeno son aún oscuras, es evidente que la estabilidad emocional, el ambiente familiar de la persona que consume drogas, como sus antecedentes genéticos son de gran relevancia en el desarrollo de la dependencia a estas drogas. Estudios bien controlados indican que existen antecedentes genéticos que predisponen favorablemente a esta condición, sin ignorar, por supuesto, que la historia de vida, incluyendo el medio social y familiar, ejercen una influencia notable en la dependencia a drogas. Quizás el modelo de droga-dependencia más estudiado es el alcoholismo.

Tolerancia y dependencia

El uso habitual produce dos condiciones complementarias las que se desencadenan en forma paralela, y que constituyen las bases de la droga-dependencia: la tolerancia y la dependencia. La tolerancia se refiere al hecho que con el uso crónico la dosis de consumo inicial no produce los mismos efectos, lo que obliga a aumentar la dosis de consumo. Es decir, con el tiempo, se necesitan dosis mayores para experimentar los mismos efectos que produjo la droga las primeras veces que ésta se consumió. La tolerancia de la nicotina y del alcohol ilustra muy bien este concepto. A partir de un cigarrillo, muchas personas llegan rápidamente a consumir una cajetilla y más, cada día. Otro tanto sucede con el alcohol. La dependencia se refiere al hecho de que el individuo siente la necesidad de consumir la droga y la busca en forma enérgica, hasta compulsiva. Por un lado se siente la necesidad del efecto agradable que ésta produce, y por otro lado, ganas incontroladas por consumirla, ya que al alejarse de la droga se experimentan una serie de síntomas que son típicos para cada droga. En definitiva, la dependencia señala que la persona depende de la droga y la busca tanto por la necesidad sicológica como física de consumirla. Ambos fenómenos, es decir, la tolerancia y la dependencia se desarrollan en forma paralela, de tal forma que resulta difícil separar la una de la otra. La tolerancia y la dependencia son comunes, a drogas que actúan a través de un mismo mecanismo.

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Es decir, si una persona ha desarrollado tolerancia a la heroína, es también tolerante, y en el mismo grado, a la cocaína. Esta persona, sin embargo no es tolerante al alcohol, a la nicotina o a los sedantes del tipo de las benzodiazepinas, ya que estas drogas tienen un mecanismo de acción diferente. Por otro lado, quien es dependiente del alcohol, lo será también de las benzodiazepinas, ya que alcohol y benzodiazepinas interactúan con una misma proteína. Pero, estas personas no son dependientes ni de marihuana ni de nicotina. La droga-dependencia revela la adaptación del organismo al consumo crónico de drogas de abuso, señalando que ya se ha consumido suficiente droga como para que el cuerpo necesite de éstas para su función regular. La ingesta ocasional, de carácter social de alcohol o nicotina, o tal vez cocaína en cualquiera de sus formas, no significa que esa persona sea, o llegue a ser adicta. Sin embargo, el riesgo de que siga consumiéndolas es alto, y a corto plazo podría derivar en adicción si no se suspende su consumo. Sin dudas, el paso desde lo esporádico a lo habitual, sin importar ni cuál ni cuánta droga se consume, indica adicción caracterizada, por la búsqueda obsesiva de la(s) droga(s). Obviamente, en un comienzo, la forma de buscarla y consumirla se enmarca en un contexto social. Se busca la ocasión para celebrar y consumir alcohol y otras drogas en compañía. Cuando la dependencia es marcada, se consumen en forma aislada, sin importar ni las amistades ni la ocasión de una celebración.

El alto riesgo de las drogas

No todos los individuos expuestos a las drogas, ni todas las drogas producen igual adicción. El medio en que se consumen las drogas, la formación familiar, aspectos de la personalidad y los antecedentes genéticos de los consumidores son determinantes en consolidar la droga-dependencia. Mientras el alcohol y la nicotina producen tanta tolerancia como dependencia, hay otras que se caracterizan por más tolerancia que dependencia y viceversa. El opio, o sus productos puros, como la heroína y secuaces, son drogas que producen marcada tolerancia. La nicotina y el alcohol también. Esto significa que la dosis inicial del consumo de estas drogas puede aumentar hasta 100 y 500 veces. La dosis de heroína que utiliza un adicto con años de consumo mataría de un paro respiratorio a un novato en su uso. Esta observación también explica las intoxicaciones y las sobredosis que se producen a menudo con estas drogas, y que encierran un grado más de peligro en el consumo de estas sustancias. Drogas como la marihuana, y muy especialmente la cocaína, se caracterizan porque producen más dependencia que tolerancia. Es una observación común que luego de 3-4 experiencias con cocaína se produce una mágica atracción (enganche) con cualquiera de las formas de presentación de esta droga (crack, clorhidrato, puriss, etc.). Esto indica que se ha despertado la dependencia, y resultará muy difícil alejarse de la cocaína en cualquiera de sus formas de venta. Esta condición es explotada muy hábilmente por los traficantes y comerciantes de droga.

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Síndrome de privación: naturaleza y características

Una persona habituada al consumo de drogas como la nicotina, marihuana, opio, cocaína, alcohol, sedantes como las benzodiazepinas, etc. debe estar crónicamente consumiendo estas sustancias para evitar que florezcan un conjunto de signos y síntomas que delatan la dependencia. Este conjunto de signos y síntomas es relativamente específico para cada droga. Se llama el síndrome de privación. La característica común a la privación de cualquier droga de abuso es la irresistible búsqueda y necesidad de consumirla. La ausencia de la sustancia manifiesta los síntomas de la privación, que desaparecen con la administración de ésta. Examinemos a alguien que decide dejar de fumar nicotina. Uno de los primeros síntomas que aparecen es una necesidad o ganas irresistibles de fumar. Esta persona debe hacer esfuerzos para vencer la tentación. Además, sin el cigarrillo está irritable, algo nervioso, ansioso, le cuesta concentrarse, tiene apetito, está de mal ánimo, se agita, y hasta tal vez duerme mal. Es nuestra experiencia que si fuma, muchos de estos malestares desaparecen. Si esta persona persiste en la firme voluntad de no fumar deberá soportar estos síntomas para no recaer en el hábito. El sólo olor al cigarrillo despierta el apetito por la droga. Esto significa que esta persona ha desarrollado suficiente dependencia a la nicotina ya que su ausencia desencadena esta colección de síntomas. La severidad del síndrome de abstinencia depende del grado de adicción. Este síndrome no es grave, ya que no pone en riesgo la salud de la persona. Otro tanto sucede con otras drogas de abuso como el alcohol. Sin embargo, el síndrome de privación de éste es ciertamente más complicado, ya que, dependiendo del grado de consumo, aparecen temblores que pueden llegar a peligrosas convulsiones, con delirio, gran angustia y, obviamente, deseos incontrolados de ingerir alcohol. El síndrome de privación de la cocaína se caracteriza por apatía y desgano, somnolencia, apetito voraz, sosiego y tranquilidad, y ansias irresistibles por consumirla. La dependencia que produce la cocaína, en cualquiera de sus formas de administración, es tan intensa que los individuos dependientes de esta droga harán cualquier cosa por adquirirla, incluso delinquir para conseguirla. Esto es el comienzo de los transtornos sico-emocionales que desencadena la droga-dependencia. Estas personas se asocian con los vendedores y traficantes quienes los explotan, porque saben que su dependencia es tan marcada, que harán cualquier cosa con tal de recibir la droga y apaciguar su obsesión. Algo similar se observa en los adictos al opio y la heroína. A pesar de que el síndrome de privación de estas drogas es comparable a los síntomas que se experimentan con un resfrío viral intenso, las ansias por su consumo son tan marcadas que estos adictos harán cualquier cosa por obtenerlas.

Estímulos de refuerzo, huellas cerebrales

Las drogas, además de activar receptores específicos en los diferentes núcleos cerebrales, lo que explica sus efectos conductuales, activan en el núcleo accumbens del cerebro un circuito neuronal relacionado con conductas que producen refuerzo positivo. Este núcleo registra y almacena, por decirlo así, experiencias que refuerzan ciertas conductas. Las drogas de abuso son estímulos muy poderosos de este núcleo, donde dejan una huella muy perdurable. Este tipo de sustancias activan continuamente este circuito, por lo que cada vez que se consumen, se refuerza la actividad de este

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circuito, creando las bases de una especie de memoria cerebral que registra las experiencias con drogas. Este núcleo detecta la presencia y ausencia de drogas, desencadenando una serie de reacciones que inducen a las personas dependientes a incentivar este refuerzo a través de nuevas administraciones de drogas. Esto constituye la base del mecanismo de refuerzo que es común a sustancias como la heroína, la marihuana, la nicotina, el alcohol, etc. Estudios bien controlados han demostrado que cada vez que se consume un sicofármaco de abuso aumenta la dopamina en el núcleo accumbens. La dopamina es el neurotransmisor de este circuito de refuerzo positivo, por lo que se puede decir que estos sicofármacos activan este circuito neuronal, estableciendo y reforzando esta conducta. La dopamina activa mecanismos, aún no del todo aclarados, que refuerzan la expresión de ciertos genes los que de alguna forma consolidan físicamente esta huella. Las drogas refuerzan a través de dos mecanismos la conducta que desemboca en el aumento de su consumo. Por un lado, producen efectos placenteros, motivo por el cual se consumen y, por otro, se graba en el núcleo accumbens esta experiencia que en la mayoría de las personas resulta agradable. Esta doble condición favorece la búsqueda de nuevas experiencias con las drogas, las que llevan irremediablemente a la dependencia. Se deduce que si se bloquea este circuito, a través de sustancias que antagonicen los efectos de la dopamina, se puede controlar la conducta de droga-dependencia. Las primeras experiencias para tratar a personas que sufren de adicción con estos antagonistas, arrojan resultados muy promisorios y halagadores. La verdadera dificultad con este eventual tratamiento es que los pacientes se rehusan a tomar sistemáticamente estos medicamentos, prefiriendo, obviamente, consumir las drogas de abuso, lo que mantiene su dependencia.

Principios de rehabilitación

La rehabilitación integral de una persona dependiente de drogas pasa por tres etapas diferentes y complementarias. La primera etapa requiere el firme propósito y el total convencimiento de alejarse voluntariamente de las drogas para reintegrarse al núcleo familiar, social y laboral. La segunda etapa precisa la ayuda y el apoyo para alejarse voluntariamente de las drogas. Esta etapa incluye acercarse a familiares, amistades, y profesionales, para tomar las medidas que favorezcan la rehabilitación. La tercera etapa, y muy crítica, requiere re-orientar la vida con una fuerte visión de sentido a la vida. Si se logra escalar estas tres etapas, se podrá erradicar la dependencia. Esta triple aproximación es común a la rehabilitación de alcohólicos, a personas que abusan del tabaquismo, de los solventes, marihuana, cocaína y tantas otras drogas de abuso. El proceso es muy complejo porque en la gran mayoría de los casos exige alejarse de un sistema de vida, de un cierto grupo de personas e influencias, y tomar decisiones personales relevantes, las cuales muchas veces nunca han sido asumidas. El aporte de la medicina y de la siquiatría es estéril sin que los adictos asuman un valiente compromiso por distanciarse de las drogas y del mundo de influencias que los arrastran hacia ese objetivo. La siquiatría dispone de algunos esquemas de tratamiento para la droga dependencia basado en medicamentos que pueden apoyar este proceso. En el caso particular del alcoholismo, la droga llamada antabuse, inhibe el metabolismo del alcohol aumentando los niveles circulantes del acetaldehido.

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Este último causa fuertes dolores de cabeza, náusea y vómitos, malestar general, de tal forma que el alcohólico al tomar alcohol durante el tratamiento con antabuse, acumula acetaldehido y experimenta más bien los síntomas negativos del alcohol que sus efectos placenteros. Con este tratamiento se busca que el alcohólico adquiera un reflejo condicionado negativo del alcohol que lo ayude a alejarse definitivamente de esta droga. Los resultados clínicos son variables, y dependen en gran medida de la perseverancia del individuo por alejarse del alcohol. Para tratar a los fumadores se ha querido reemplazar el cigarrillo por un parche con nicotina, droga que se absorbe lentamente por la piel y sustituye al cigarrillo. La idea es que con el tiempo, se elimine el parche y el cigarrillo. Lo mismo se ha buscado usando chicles que contienen nicotina. Con este tratamiento se busca gradualmente disminuir el contacto con la droga, ya sea que ésta provenga de cigarrillos, parches o chicles, hasta que el consumo se erradique completamente. En el caso de los opioides se han usado otras estrategias. Una de ellas es reemplazar la heroína por drogas menos tóxicas con la N-acetilmetadona, que se administra oralmente, evitando la parafernalia de las jeringas y sus complicaciones. También se ha pretendido reemplazar la heroína por clonidina, que actúa en receptores similares a los opioides, y que se administra oralmente. Otra posibilidad común en Europa es proporcionar gratuitamente la droga a los individuos dependientes que se inscriben en programas de control de drogas, evitando el mercado negro. Otra estrategia ampliamente utilizada consiste en administrar en forma crónica un antagonista, evitando las futuras administraciones de heroína. El tratamiento con naltrexona ha resultado útil, ya que ésta previene los efectos de futuras dosificaciones de heroína y drogas secuaces.

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Bibliografía

(Es posible que algunas direcciones hayan dejado de existir o se modifiquen después de la publicación de este programa). Villée, C. A., e. P. Solomon, C. E. Martin, D. W. Martin, L. R. Berg, and P. W. Davis. (1992). Biología. Interamericana-McGraw-Hill. 2º Edición. Curtis, H., and N. S. Barnes. (1995). Invitación a la Biología. Editorial Médica Panamericana, S.A. 5º Edición. Varios autores. (1997). Elementos de Biología Celular y Genética. Editores: Spotorno, A. E. y Hoecker G. 2º Edición. National Academy of Sciences, U. (1996). National Science Education Standards. N. A. Press, editor. Simonetti, J. A., Arroyo, M.T.K., Spotorno, A.E. and Lozada. (1995). Diversidad biológica de Chile. E. (Editores). Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica, Santiago. 364 pp. Charles Darwin. (1983). El origen de las especies. Ediciones del Serbal. Mayr, E. Darwin’s influence on modern thought. Scientific American. Julio 2000 páginas: 78-83. Rodríguez V. J. (1998). Evolución biológica. Síntesis histórica y evidencias. MINEDUC. Programa Mece. National Academy of Sciences, U. (1998). Teaching about evolution and the nature of science. N. A. Press, editor. Cruz, C.C, y Vargas, L.F. (1998). Estrés. Entenderlo es manejarlo. Ediciones Universidad Católica de Chile. Pulverini, L. y Koob, G. Bases Neurológicas de la Adicción a la Cocaína. Investigación y Ciencia, Julio 1996, páginas: 48-55. Opium, Cocaine and Marijuana in American History. Musto, D.F. Scientific American, Julio 1991, páginas 20-27. CONACE. (1998). Información de la situación de Drogas en Chile. (Volumen I y II) S istema nacional de infor mación sobre drogas (www.conace.gov.cl).

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Objetivos Fundamentales y Contenidos Mínimos Obligatorios Primer a Cuarto Año Medio

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Objetivos Fundamentales

Ciencias Naturales / Biología

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Primer Año Medio

Segundo Año Medio

Tercer Año Medio

Cuarto Año Medio

Los alumnos y las alumnas desarrollarán la capacidad de: 1. Apreciar los elementos comunes en la organización y estructura de los seres vivos y de la célula como su unidad funcional. 2. Entender el significado de los procesos de la nutrición desde el nivel fisiológico al celular y la función de los sistemas que participan en ellos. 3. Apreciar y valorar la interdependencia de los seres vivos en las tramas alimentarias, sus consecuencias ambientales y su relación con el mundo inorgánico. 4. Tomar conciencia de la responsibilidad individual en el ámbito de la salud, entendiendo las relaciones entre enfermedad, actividad física, alimentación, tabaquismo y consumo de drogas.

5. Formular hipótesis en temas específicos y entender su relación con los datos experimentales en la investigación científica. 6. Diseñar y realizar procedimientos experimentales simples en problemas específicos del mundo biológico. 7. Seleccionar y sintetizar información científica de fuentes diversas y elaborar informes razonados y completos de investigación; presentar información cuantitativa relevante utilizando gráficos y tablas.

Los alumnos y las alumnas desarrollarán la capacidad de: 1. Apreciar y entender el significado de la reproducción sexual y asexual en la transmisión del material genético y en la herencia. 2. Apreciar y valorar la interrelación de los aspectos biológicos, afectivos, espirituales, éticos, culturales, sociales y ambientales de la sexualidad, reproducción y desarrollo humano. 3. Tomar conciencia del problema de la conservación del medio ambiente y conocer los principios biológicos que pueden aplicarse a su análisis y cuidado.

4. Conocer y analizar las aplicaciones en las áreas de la salud y la producción basadas en el conocimiento científico sobre hormonas. 5. Conocer la historia de determinadas teorías científicas, comprendiendo la historicidad y el carácter dinámico, refutable y perfectible del conocimiento científico.

Los alumnos y las alumnas desarrollarán la capacidad de: 1. Comprender que los organismos han desarrollado mecanismos que posibilitan su funcionamiento sistémico y su interacción con el medio de manera integrada, manteniendo un ambiente interno estable. 2. Conocer la organización del sistema nervioso y comprender su función en la regulación y coordinación de las funciones sistémicas, la motricidad y el comportamiento. 3. Comprender y valorar los fundamentos de la evolución y adaptación a distintos ambientes, y la diversidad biológica como su resultado.

Los alumnos y las alumnas desarrollarán la capacidad de: 1. Comprender las teorías sobre la estructura y expresión de la información genética, sus implicaciones para explicar el funcionamiento de los sistemas vivos, sus aplicaciones en salud y biotecnología, y su influencia en la cultura. 2. Apreciar la interdependencia entre diversos organismos como elemento determinante en las propiedades de las poblaciones y en el desarrollo de variados mecanismos de defensa contra agentes patógenos.

3. Entender cómo se analizan los problemas ambientales desde la perspectiva de la organización jerárquica de la naturaleza, apreciando la versatilidad e imaginación del hombre para interactuar y modificar los diversos sistemas ecológicos. 4. Debatir en forma fundamentada en torno a la relación entre ciencia y sociedad, analizando la dimensión ética implicada. 5. Entender y analizar la confluencia de factores biológicos, sociales y culturales en problemas vinculados a la salud y el medio ambiente. 6. Seleccionar y presentar datos cuantitativos y cualitativos basados en manipulaciones y observaciones experimentales simples; utilizar gráficos y tablas; y elaborar conclusiones a partir de la información recolectada.

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Contenidos Mínimos Obligatorios

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Primer Año Medio

Segundo Año Medio

I. Organización, estructura y actividad celular 1. La célula como unidad funcional a. Estructuras y funciones comunes a células animales y vegetales: la membrana plasmática, el citoplasma, las mitocondrias y el núcleo; y las distintivas de los vegetales: cloroplastos y pared celular. b. Mecanismos de intercambio entre la célula y el ambiente (difusión, osmosis y transporte activo). d. Universalidad de las principales moléculas que componen la célula: propiedades estructurales y energéticas. e. Distinción de las propiedades emergentes en los niveles de organización: célula, tejido, órgano y sistemas de órganos.

II. Procesos y Funciones Vitales 1. Nutrición a. Nutrientes esenciales. Alimentos como fuente de energía para las actividades del organismo y materia prima para procesos de crecimiento y reparación de tejidos. Vitaminas y sales minerales. b. Conceptos de metabolismo: catabolismo y anabolismo. c. Principios de dietética: Requerimientos nutricionales y recomendaciones en adolescentes sanos, embarazo, lactancia, y distintos niveles de actividad física. Cálculos de peso ideal. d. Contenido relativo de los distintos componentes de una dieta balanceada y cálculo del aporte de calorías en diversos alimentos.

I. Organización, estructura y actividad celular 1. Material genético y reproducción celular a. Cromosomas como estructuras portadoras de los genes: su comportamiento en la mitosis y meiosis. b. Importancia de la mitosis y su regulación en procesos de crecimiento, desarrollo y cáncer, y de la meiosis en la gametogénesis y la variabilidad del material genético.

II. Procesos y funciones vitales 1. Hormonas y sexualidad humana. a. Formación de gametos, efecto de las hormonas sexuales, ciclo menstrual y fertilización. b. Distinción y reconocimiento de los aspectos valóricos, culturales y sociales de la sexualidad humana, incluyendo el autocuidado de la pareja y la paternidad responsable. 2. Hormonas, crecimiento y desarrollo a. Cambios físicos, psicológicos y hormonales durante la adolescencia. b. Desarrollo embrionario y fetal humano, incluyendo el papel de la placenta, los cambios hormonales del embarazo, parto y lactancia, y la influencia de factores ambientales.

I. Organización, estructura y actividad celular 1. Adaptación a nivel celular a. Relación estructura y función: identificación de diferenciaciones y estructuras especializadas en diversas células, incluyendo organismos unicelulares. Uso de ilustraciones, fotografías y de recursos computacionales.

II. Procesos y funciones vitales 1. Regulación de las funciones corporales y homeostasis a. Control hormonal y nervioso en la coordinación e integración de los sistemas: investigación en diversas fuentes sobre el control por retroalimentación. b. Concepto y fundamentos de la homeostasis, distinguiendo los órganos, sistemas y procesos regulatorios involucrados. Formación de orina: el nefrón como unidad funcional. 2. El sistema nervioso a. La variedad de estímulos que excitan el sistema nervioso, sus receptores y su importancia relativa en distintos organismos.

I. Organización, estructura y actividad celular 1. Enzimas a. Contraste entre transformaciones químicas en el mundo abiótico y en la célula: función de las enzimas como agentes de la información genética en el manejo de la energía. 2. Bacterias y virus a. Estructura y propiedades biológicas de bacterias y virus como agentes patógenos y como herramientas esenciales para manipular material genético en la biotecnología.

II. Procesos y funciones vitales 1. Sistemas de defensa a. Mecanismos inespecíficos de defensa contra invasores patógenos en animales, incluidas las barreras del organismo. b. Origen y función de los componentes de la sangre, importantes en la defensa específica contra bacterias, virus y hongos, incluyendo los anticuerpos como proteínas con función defensiva. c. La respuesta inmune, la memoria y la tolerancia inmunológica. d. Mecanismos de defensa contra agentes patógenos en plantas.

Tercer Año Medio

Cuarto Año Medio

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e. Investigación sobre la relación entre el gasto y consumo energético en los estudiantes durante un período determinado. Representación en gráficos y tablas comparativas, construidas mediante programas computacionales. Análisis, discusión y conclusiones. 2. Digestión a. El proceso de digestión, incluyendo el concepto de alimentos simples y compuestos y el papel de estructuras especializadas, enzimas, jugos digestivos, y las sales biliares. Estudio experimental de una digestión. b. Absorción de las sustancias nutritivas, su incorporación a la circulación, y eliminación de desechos.

3. Circulación a. Función del sistema circulatorio en el transporte de gases, nutrientes y desechos del metabolismo. Composición de la sangre. b. Actividad cardíaca: ciclo, circulación, ruidos cardíacos, manifestación eléctrica y presión sanguínea. Estudio mediante programas computacionales interactivos. c Adaptación del organismo al esfuerzo. d. Relaciones de estructura y función de los diferentes vasos sanguíneos. e. Circulación e intercambio de sustancias al nivel capilar. 4. Respiración a. Estructuras especializadas en el intercambio de gases en plantas y animales. Movimientos respiratorios.

b. Disponibilidad de oxígeno y respiración aeróbica o anaeróbica. Producción de compuestos ricos en energía y sustancias de desecho. Deuda de oxígeno en los músculos durante el ejercicio intenso. 5. Excreción a. Sistemas de excreción: su función y relación con las sustancias de desecho del metabolismo. Filtración renal.

c. Aspectos favorables de la lactancia materna. d. Investigación sobre el control hormonal del crecimiento y desarrollo en animales y plantas. Aplicaciones comerciales.

III.Biología humana y salud a. Estímulos ambientales (radiación ultravioleta y tabaquismo) que pueden dañar el material genético (mutaciones) y alterar la regulación de la reproducción celular. b. Uso médico de hormonas, en el control y promoción de la fertilidad, el tratamiento de la diabetes y el desarrollo. c. Enfermedades de transmisión sexual y sus modos de prevención. d. Enfermedades hereditarias e implicaciones sociales de algunas de ellas (por ejemplo, Síndrome de Down). Práctica de ordenación de cromosomas (cariotipo).

IV.Variabilidad y herencia 1. Variabilidad a. Variabilidad intra especie: formas heredables y no heredables. b. Sexo como expresión de variabilidad genotípica. c. Relación genotipo-fenotipo y análisis del concepto de raza. Observaciones en caninos, felinos y aves. d. Fuentes de variabilidad genética: reproducción sexual y mutaciones. e. Generación de clones por reproducción asexual. Restricciones éticas a una clonación humana. f. Determinación y presentación gráfica de la frecuencia de algún carácter variable en una población.

b. Estructura de la neurona, conectividad, organización y función del sistema nervioso en la regulación y coordinación de las funciones sistémicas, la motricidad y el comportamiento. c. Naturaleza electro-química del impulso nervioso y su forma de transmisión entre neuronas y entre neuronas y músculo (señales químicas y sinapsis). d. Estructura y función del ojo: propiedades ópticas, respuesta a la luz, y anomalías de la visión. 3. Sistema muscular y respuesta motora a. Sistema muscular (esquelético, liso y cardíaco) y su conexión funcional con distintas partes del sistema nervioso. Actividad refleja y motricidad voluntaria.

b. Estructura del tórax y mecanismo de la ventilación pulmonar. c. Control de la frecuencia respiratoria.

III.Biología humana y salud 1. Higiene nerviosa a. Investigación y debate sobre los aspectos biológicos, éticos, sociales y culturales de la adicción a drogas que afectan el comportamiento y los estados de ánimo. b. Stress nervioso, consecuencias físicas, causas y prevención.

III.Biología humana y salud a. Grupos sanguíneos: compatibilidad en el embarazo y las transfusiones. b. Alteraciones de los mecanismos defensivos por factores ambientales y enfermedades, incluyendo la autoinmunidad, alergias y transplantes. c. Historia del uso médico de la inmunización artificial (vacunas), incluyendo los experimentos de Louis Pasteur. d. Recolección de información y análisis de problemas infecciosos contemporáneos, distinguiendo aspectos sociales, culturales, éticos y biológicos.

IV.Variabilidad, herencia y evolución 1. Genoma, genes e ingeniería genética a. El modelo de la doble hebra del ADN de Watson y Crick. b. Código genético y su expresión en la secuencia de proteínas. Valoración de su universalidad como evidencia de la evolución a partir de ancestros comunes. c. Investigación, conjeturas y debate sobre el significado e importancia del proyecto del genoma humano desde las perspectivas del conocimiento biológico, la ética y la relación entre ciencia y sociedad. d. Principios básicos de ingeniería genética y sus aplicaciones productivas, apreciando el uso de bacterias y virus.

V. Organismo y ambiente 1. Interacciones entre organismos a. Depredación y competencia como determinantes de la distribución y abundancia relativa de organismos en un habitat. b. El hombre como un organismo fuertemente interactuante en el mundo biológico: sobreexplotación y contaminación. c. Investigación sobre los efectos de la actividad humana en los ecosistemas. 2. Poblaciones y comunidades a. Atributos básicos de las poblaciones y las comunidades; factores que condicionan su distribución, tamaño y límite al crecimiento.

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III.Biología humana y salud a. Enfermedades que pueden asociarse a hábitos alimenticios (malnutrición por déficit y exceso), consumo de alcohol y tabaquismo. b. Efectos de drogas, solventes y otras sustancias químicas. Discusión informada sobre su mal uso y el contexto social y cultural. c. Recopilación de datos y elaboración de informes razonados sobre factores predisponentes de enfermedades del corazón y vasculares más frecuentes.

IV.Organismo y ambiente 1. Relaciones alimentarias a Incorporación de materia y energía al mundo orgánico. Formulación de hipótesis, obtención e interpretación de datos cuantitativos sobre factores que pueden afectar la velocidad de fotosíntesis: reactantes y productos. b. Tramas alimentarias y principios básicos de los ciclos del carbono y del nitrógeno en los ecosistemas. c. Equilibrio ecológico: influencia humana, positiva y negativa, en cadenas y tramas alimentarias en distintos ecosistemas.

2. Herencia a. Concepto de gen como unidad funcional de la herencia. b. Modificaciones de los cromosomas en la reproducción sexual: meiosis, gametogénesis y fertilización. c. Investigar la historia de las leyes de la herencia de Mendel. d. Ejercicios de aplicación de los conceptos de alelos recesivos y dominantes en la selección de un carácter por cruzamiento dirigido. e. Herencia ligada al sexo.

V. Organismo y ambiente 1. Efectos ambientales a. Efectos directos e indirectos de la modificación del habitat por la actividad humana sobre la biodiversidad y el equilibrio del ecosistema: daño y conservación. b. Principios básicos de biología de la conservación y manejo sustentable de recursos renovables.

IV.Variabilidad y evolución a. Registro fósil como evidencia de la evolución orgánica. Distinción entre hechos y teorías. b. Variabilidad como materia prima de los cambios evolutivos y su importancia en la sobrevivencia de las especies. c. Valoración de la biodiversidad como producto del proceso evolutivo. d. Selección natural en la evolución y extinción de especies. Innovaciones y formas intermedias. e. Éxito reproductivo como resultado de la competencia en el ambiente. f. Investigación sobre la historia de Darwin y el impacto cultural de su teoría en contraste con otras teorías evolutivas.

V. Organismo y ambiente 1. Adaptación a. Adaptaciones que permiten a plantas y animales sobrevivir en distintos ambientes. b. Respuestas adaptativas a los cambios ambientales, diarios y estacionales. c. Adaptación en tiempo evolutivo: historia de la aparición de los grupos mayores de organismos.

b. Uso de programas computacionales para análisis de datos y presentación de resultados sobre simulaciones de curvas de crecimiento poblacional. c. Sucesión ecológica como expresión de la dinámica de la comunidad. 3. Ecología y sociedad a. Valoración de la diversidad biológica, considerando sus funciones en el ecosistema. b. Investigación sobre la problemática ambiental, apreciando los aspectos básicos para evaluarla y su carácter multidisciplinario y multisectorial. c. Análisis del problema del crecimiento poblacional humano en relación con las tasas de consumo y los niveles de vida.

“...haz capaz a tu escuela de todo lo grande que pasa o ha pasado por el mundo.”

Biología Tercer Año Medio

Gabriela Mistral