Biología I by Cengage

BIOLOGÍA I

Juan Carlos Beltrán Martínez Mónica Ana María Quiroga Rodríguez MUESTRA ISSUU © D.R. 2021 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS.19/06/2021

BIOLOGÍA I

MUESTRA ISSUU © D.R. 2021 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS.19/06/2021

BIOLOGÍA I Juan Carlos Beltrán Mar tínez Mónica Ana María Quiroga Rodríguez

Revisión técnica

Aída Elizabeth Soto Medina Alejandra Eréndira Jaramillo Rodríguez Armando Sosa Yáñez Luis Alejandro Méndez Cuesta Zamira Karen Espinosa Soria UNITEC, Campus Sur

Australia • Brasil • Canadá • Estados Unidos • México • Reino Unido • Singapur

Biología I Primera edición Juan Carlos Beltrán Martínez 0µQLFD $QD 0DU¯D 4XLURJD 5RGU¯JXH] Director Higher Education Latinoamérica: Renzo Casapía Valencia Gerente editorial Latinoamérica: -HV¼V 0DUHV &KDFµQ Editora: Cinthia Chávez Ceballos Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Diseño de portada: Karla Paola Benítez García &RPSRVLFLµQ WLSRJU£ȴFD Edith Jiménez Garibaldi Cicero Diseño Editorial

© D.R. 2021 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. &DUUHWHUD 0«[LFR 7ROXFD Q¼P RȴFLQD &RO (O <DTXL 'HO &XDMLPDOSD & 3 Ciudad de México. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea JU£ȴFR HOHFWUµQLFR R PHF£QLFR LQFOX\HQGR pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, UHSURGXFFLµQ HVFDQHR GLJLWDOL]DFLµQ JUDEDFLµQ HQ DXGLR GLVWULEXFLµQ HQ LQWHUQHW GLVWULEXFLµQ HQ UHGHV GH LQIRUPDFLµQ R DOPDFHQDPLHQWR \ UHFRSLODFLµQ HQ VLVWHPDV GH LQIRUPDFLµQ D H[FHSFLµQ GH OR SHUPLWLGR en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. 'DWRV SDUD FDWDORJDFLµQ ELEOLRJU£ȴFD Beltrán Martínez, Juan Carlos \ 0µQLFD $QD 0DU¯D 4XLURJD 5RGU¯JXH] Biología I 3ULPHUD HGLFLµQ ISBN: 978-607-570-00 - Visite nuestro sitio web en: http://latinoamerica.cengage.com

3XEOLFDGo en México 1 2 3 4 5 6 7 24 23 22 21

CONTENIDO

Presentación ..................................................................................... xi Acerca de los autores .................................................................... xvii

UNIDAD 1 LA BIOLOGÍA Y SU OBJETO DE ESTUDIO ....................................................................... 2 1.1 Deﬁnición y objeto de estudio de la biología ........................................ 7 1.2 Ramas de la biología ............................................................................ 8 1.3 El método cientíﬁco en la biología ........................................................ 9 1.4 Concepto de vida ............................................................................... 10 1.5 Características de los seres vivos y su organización ............................. 10 1.6 ¿Cómo se originaron los seres vivos? .................................................. 12 Actividad de cierre .................................................................................. 17 Instrumento de evaluación ...................................................................... 19 Referencias ............................................................................................. 21

UNIDAD 2 BASE MOLECULAR DE LA VIDA.......................................................................22 2.1 Química de la vida.............................................................................. 27 2.2 El agua y su importancia como componente de los seres vivos ........... 28 2.3 Compuestos de tipo orgánico en los seres vivos ................................. 30 2.3.1 Características del átomo de carbono ...................................... 30 2.3.2 Grupos funcionales presentes en los compuestos orgánicos ................................................................................ 31 2.3.3 Carbohidratos: estructura y función......................................... 32 2.3.4 Lípidos: estructura y función. ................................................... 33 2.3.5 Proteínas: estructura y función ................................................ 35 2.3.6 Ácidos nucleicos: estructura y función ..................................... 36

Contenido

2.3.7 Vitaminas: estructura y función ............................................... 37 Actividad de cierre .................................................................................. 38 Instrumento de evaluación ...................................................................... 41 Referencias ............................................................................................. 43

UNIDAD 3 TEORÍA CELULAR ............................................................44 3.1 La teoría celular.................................................................................. 49 3.1.1 Breve reseña histórica .............................................................. 49 3.1.2 Teoría celular ........................................................................... 50 3.2 Evolución de los tipos celulares........................................................... 50 3.2.1 Células procariontes ................................................................ 50 3.2.2 Células eucariontes ................................................................. 51 3.3 ¿Qué son los virus? ............................................................................ 54 3.4 Unidades de medición celular y dimensión de las células ...................................................................................... 54 3.5 Instrumentos utilizados en el estudio de las células ............................. 55 3.5.1 El microscopio óptico .............................................................. 55 3.5.2 El microscopio electrónico ....................................................... 55 Actividad de cierre .................................................................................. 56 Instrumento de evaluación ...................................................................... 57 Referencias ............................................................................................. 59

UNIDAD 4 ESTRUCTURA CELULAR ..................................................60 4.1 Estructura y función de los componentes celulares ............................. 65 4.1.1 Núcleo y nucléolo .................................................................... 66 4.1.2 Retículo endoplásmico............................................................. 67 4.1.3 Aparato de Golgi..................................................................... 67 4.1.4 Lisosomas................................................................................ 68 4.1.5 Peroxisomas o microcuerpos .................................................... 69 4.1.6 Mitocondrias ........................................................................... 69

Contenido

4.1.7 Citoesqueleto: microtúbulos, microfilamentos, filamentos intermedios y centriolos 4.1.8 Cilios y flagelos ....................................................................... 70 4.2 Diferencias entre las células animal y vegetal: pared celular, cloroplasto y vacuola central ......................................... 72 4.3 De la célula a los tejidos ..................................................................... 74 4.3.1 Tejidos animales ...................................................................... 74 4.3.2 Tejidos vegetales...................................................................... 75 Actividad de cierre .................................................................................. 77 Instrumento de evaluación ...................................................................... 79 Referencias ............................................................................................. 81

UNIDAD 5 TRANSPORTE CELULAR ................................................. 82 5.1 Introducción. Transporte celular.......................................................... 87 5.2 La membrana celular .......................................................................... 87 5.3 Transporte celular. Gradientes de concentración ................................. 89 5.3.1 Transporte pasivo. Difusión simple, difusión facilitada y ósmosis ................................................................................ 90 5.3.2 Transporte activo. Endocitosis y exocitosis ................................ 92 Actividad de cierre .................................................................................. 95 Instrumento de evaluación ...................................................................... 96 Referencias ............................................................................................. 98

UNIDAD 6 NUTRICIÓN .....................................................................100 6.1 Nutrición .......................................................................................... 105 6.2 Tipos de nutrición ............................................................................ 105 6.3 Etapas de la nutrición ....................................................................... 107 6.3.1 Captura e ingestión del alimento ........................................... 107 6.3.2 Digestión intracelular y extracelular ....................................... 108 6.3.3 Transporte de nutrientes ........................................................ 109 6.3.4 Suministro de nutrientes, agua y gases en los seres vivos ................................................................... 109

vii

viii

Contenido

6.3.5 Eliminación de los productos del metabolismo celular ................................................................................... 109 Actividad de cierre .................................................................................110 Instrumento de evaluación ..................................................................... 113 Referencias ............................................................................................ 115

UNIDAD 7 METABOLISMO CELULAR Y LAS ENZIMAS ............................................................. 116 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

El metabolismo celular ..................................................................... 121 Deﬁnición de anabolismo y catabolismo ........................................... 121 Características de los procesos metabólicos ...................................... 122 La energía y los seres vivos ............................................................... 122 El ATP, adenosín trifosfato ................................................................ 124 Acción de las enzimas en el metabolismo celular .............................. 124 7.6.1 Modelo llave-cerradura.......................................................... 125 7.6.2 Factores que afectan la actividad enzimática.......................... 126 7.6.3 Inhibición de la acción enzimática.......................................... 127

Actividad de cierre .................................................................................129 Instrumento de evaluación .....................................................................131 Referencias ............................................................................................133

UNIDAD 8 LA FOTOSÍNTESIS .......................................................... 134 8.1 Fotosíntesis ...................................................................................... 139 8.1.1 Estructura de la hoja.............................................................. 140 8.1.2 Estructura del cloroplasto ...................................................... 143 8.1.3 Elementos que intervienen en la fotosíntesis. Luz solar como fuente de energía y pigmentos fotosintéticos ........................................................................ 144 8.2 Fases del proceso fotosintético ......................................................... 145 8.2.1 Fase luminosa y fase oscura ................................................... 145 Actividad de cierre ................................................................................ 148 Instrumento de evaluación .....................................................................151 Referencias ............................................................................................153

Contenido

UNIDAD 9 RESPIRACIÓN CELULAR ...............................................154 9.1 Respiración y fermentación .............................................................. 159 9.1.1 Glucólisis ............................................................................... 159 9.1.2 Ciclo de Krebs ....................................................................... 161 9.1.3 Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa ......................................................... 162 9.2 Fermentación o respiración anaerobia .............................................. 164 Actividad de cierre ................................................................................ 168 Instrumento de evaluación .....................................................................170 Referencias ............................................................................................172

UNIDAD 10 DIVISIÓN CELULAR ....................................................... 174 10.1 División celular ............................................................................... 179 10.1.1 Ácidos nucleicos, moléculas orgánicas que controlan la división celular ................................................................... 179 10.2 Estructura del ADN: modelo propuesto por Watson y Crick............. 180 10.3 Replicación del ADN ....................................................................... 183 10.3.1 Transcripción del ADN, estructura del ARN y el código genético .............................................................. 185 10.3.2 Traducción de la información genética o síntesis de proteínas .......................................................................... 188 10.4 Ciclo celular ................................................................................... 190 10.4.1 Mitosis y reproducción asexual .............................................. 191 10.4.2 Meiosis y reproducción sexual ............................................... 193 10.5 Biotecnología ................................................................................... 195 Actividad de cierre .................................................................................197 Instrumento de evaluación .................................................................... 199 Referencias ........................................................................................... 201

PRÁCTICAS DE LABORATORIO ................................................1 PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN ............................................1

PRESENTACIÓN

Una sociedad en constante cambio, como la nuestra, llena de retos y demandas exige que los alumnos de bachillerato desarrollen competencias, habilidades, actitudes y conocimientos que les permitan vivir y convivir de manera positiva y responsable. Los estudiantes pueden adquirir este cúmulo de saberes por sí mismos, pero también bajo la guía de sus profesores, su familia y el círculo social que los rodea. Considerando lo anterior, Cengage ha creado este libro de texto con el objetivo de cubrir las necesidades del programa de Biología para bachillerato UNITEC. Los contenidos de la serie han sido concebidos y dirigidos cuidadosamente con la guía de expertos en la materia y con base en los programas oficiales de estudio para proporcionar elementos cognoscitivos, metodológicos y afectivos que le permitan al estudiante profundizar en la comprensión de su medio natural y social, desarrollar su personalidad, definir su participación crítica y constructiva en la sociedad en que se desenvuelve, así como a introducirse en el análisis de problemáticas relacionadas con las diferentes disciplinas científicas y tecnológicas, siempre con la perspectiva de incorporarse con éxito a los estudios superiores. Biología I presenta los conceptos básicos de la biología como ciencia de la vida identificando las características compartidas de los seres vivos partiendo desde la célula y sus procesos internos. Esta obra incluye elementos didácticos e instruccionales que favorecen la experiencia del aprendizaje de la ciencia. Incluye mapa conceptual, lectura detonante, evaluación diagnóstica, experimentos, actividades de cierre, instrumentos de evaluación, prácticas de laboratorio y proyectos. Los contenidos de la obra están divididos en diez unidades, que son: Unidad 1. La biología y su objeto de estudio Unidad 2. Base molecular de la vida Unidad 3. Teoría celular Unidad 4. Estructura celular Unidad 5. Transporte celular Unidad 6. Nutrición Unidad 7. Metabolismo y las enzimas Unidad 8. La fotosíntesis Unidad 9. Respiración celular Unidad 10. División celular Esperamos que esta obra sea una guía para los estudiantes que, además de impulsar la perspectiva de seguir con una carrera profesional, los prepare para la vida.

Cengage Learning

ACERCA DE LOS AUTORES

Juan Carlos Beltrán Martínez UNITEC, Campus Atizapán

“Sin fósiles nunca podríamos haber asumido que hubo épocas sucesivas en la formación de la tierra” (Cuvier, 1881, p. 40).1

Cursó la carrera de Biología en la Facultad de Estudios Superiores Iztacala, posteriormente en la Facultad de Ciencias y en el Instituto de Geología de la Universidad Nacional Autónoma de México. Su fascinación por los organismos prehistóricos y la evolución del planeta despertó su interés por la Paleontología, por lo cual se enfocó en el estudio de la evolución del clima mediante el análisis de registros palinológicos fósiles. Siempre ha sido un fervoroso creyente de que la educación, en su sentido más puro, es la única vía por la cual un país puede resolver sus problemas, es por esto que, actualmente, se desempeña como profesor de nivel preparatoria de la Universidad Tecnológica de México, donde imparte las materias Biología I y II, Ecología, Química y Geografía. Nacido en la ciudad de México, Juan Carlos muestra interés por la Paleontología y la naturaleza desde su infancia gracias a sus padres que le compraban juguetes de dinosaurios, mostraban documentales y lo llevaban al zoológico. Goza de la compañía de su esposa, las salidas a campo, ver documentales y seguir estudiando.

En recuerdo de Gloria Martínez Rojas y Santiago Beltrán Domínguez

Cuvier, G. (1881). Discours sur les révolutions du globe. Paris, Francia: Berche et Tralin, Editeurs. Obtenido de https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1106958.pdf

xii

Acerca de los autores

Mónica Ana María Quiroga Rodríguez UNITEC, Campus Atizapán

Soy bióloga egresada de la Facultad de Estudios Superiores Iztacala de la Universidad Nacional Autónoma de México, cuento con una maestría en Seguridad Industrial y Protección Ambiental por parte de la Universidad Europea de Madrid. Para mí, la biología me ha permitido conocer el mundo a través de los ojos de la ciencia. Fue cursando el bachillerato cuando tomé la decisión de ser bióloga para entender cada vez más a los seres vivos, la variedad de formas y tamaños que existen, ¿dónde están?, ¿por qué?, cómo es posible que una célula por sí misma pudiera vivir, más aún, entender cómo se unen entre ellas y forman un cuerpo completo y funcional. La biología me permitió dar solución a muchas de mis preguntas, surgiendo nuevas, realizando investigación y experimentos para seguir generando conocimiento y respuestas. Como bióloga, veo el mundo con mucha fascinación y curiosidad por todo lo que nos rodea. Cuando doy clases, además de disfrutarlo, me siento feliz de transmitir todo este conocimiento a los alumnos, disfruto de ello y de poder ayudarlos a crecer y desarrollarse. Como docente he sido dos veces ganadora del premio Círculo de Excelencia Docente de la Universidad Tecnologica de México, he desarrollado proyectos académicos con los alumnos donde destaca la creación de un jardín de polinizadores, el primero a nivel institucional, he sido invitada a otras universidades a impartir charlas sobre la importancia de estos espacios con reconocimiento por parte del Estado de México y también he participado en la edición y revisión técnica de libros de texto en el área de las ciencias para materias de Geografía, Biología 1, Biología 2 y Ecología y medio ambiente. Si bien ha sido un reto, he logrado combinar mi profesión y la vocación, en esta loable labor de ser docente.

BIOLOGÍA I

UNIDAD 1

©Chris/Adobestock.com

LA BIOLOGÍA Y SU OBJETO DE ESTUDIO

TEMAS 1.1 Deﬁnición y objeto de estudio de la biología. 1.2 Ramas de la biología. 1.3 El método cientíﬁco en la biología. 1.4 Concepto de vida. 1.5 Características de los seres vivos y su organización. 1.6 ¿Cómo se originaron los seres vivos?

OBJETIVO GENERAL El alumno identiﬁcará a la biología como ciencia interdisciplinaria para comprender el papel que juega esta en la comprensión de los sistemas vivos.

OBJETIVOS PARTICULARES Al ﬁnalizar la unidad, el alumno será capaz de: 1. Describir las principales áreas involucradas en el estudio biológico. 2. Aplicar el método cientíﬁco para la solución de problemas cotidianos. 3. Comprender el concepto de vida dentro de la biología. 4. Integrar las características que constituyen a un ser vivo dentro de este concepto. 5. Analizar las diferentes teorías que se han propuesto para explicar el origen de la vida. 6. Determinar, cuáles fueron las características que permitieron el origen de los primeros compuestos orgánicos.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

MAPA CONCEPTUAL

• • • • •

Abiogénesis Generación espontánea Panspermia Evolución prebiótica Creacionismo

Teorías del origen de la vida

• • • • •

Vida

Organización celular Metabolismo Homeostasis Reproducción y herencia Irritabilidad

Características de los seres vivos

LA BIOLOGÍA COMO CIENCIA

Se apoya de otras disciplinas como, por ejemplo

• • • • • • •

Zoología Botánica Ecología Bioquímica Genética Taxonomía Evolución

Usa el método cientíﬁco, cuyos pasos son:

• Observación • Planteamiento del problema (pregunta) • Formulación de la hipótesis • Experimentación • Análisis de resultados • Conclusiones

Lectura detonante

LECTURA DETONANTE

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Al escuchar la palabra “biología” te has pre guntado: ¿qué tiene que ver contigo? ¿Qué relación tenemos con la biología? La biología se deﬁne como la ciencia que estudia la vida, a partir de esta ciencia podemos conocer, desde cómo está formada una célula, cómo estamos formados nosotros —nuestro cere bro, órganos y sistemas—, los descubrimientos importantes como las células madre, el descubri miento del genoma humano. La biología ha permi tido a los cientíﬁcos saber a qué enfermedades puede estar predispuesta una persona, también podemos cono cer los cambios climáticos globales, nos ayuda a explicar por qué existen especies tan diversas. Recuerda que casi todo lo que nos rodea está relacionado con la biología, por ejemplo, cuando te la vas las manos, la combinación del jabón con el agua elimina a los organismos microscópicos, así se ayuda a prevenir enfermedades infecciosas, ¿te imaginabas que lavarte las manos implicaba a la biología?

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¿Qué relación tenemos con la biología?

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UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA A continuación, responde un breve cuestionario con la ﬁnalidad de conocer los temas con los que estás familiarizado y así tu profesor pueda abordar los temas de acuerdo con tus necesidades. 1. Deﬁne ¿qué es la vida?

2. ¿Qué es un ser vivo o cuáles son las características de un ser vivo?

3. Analiza, ¿qué similitudes encuentras entre tus compañeros de clase y tú?

4. ¿Has escuchado que la vida viene de otros planetas? ¿Qué opinas?

5. ¿Conoces alguna teoría sobre el origen de la vida? ¿Cuál?

Compara tus respuestas con las de tus compañeros y escribe la opinión de al menos tres compañeros. Nombre del alumno

Respuesta

1.1 Deﬁnición y objeto de estudio de la biología

Introducción © Morphart Creation / Shutterstock.com

Como una rama de las ciencias naturales y dentro de un ordenado sistema de conocimientos, la biología surge entre los antiguos griegos. Sin embargo, las bases de la biología científica se establecieron en tiempos modernos. En 1802, en Alemania fue introducido el término “biología” por el científico francés Jean-Baptiste Lamarck (figura 1.1). El término biología procede del griego bios, que significa “vida”, y logos, que significa “estudio”.

1.1 Definición y objeto de estudio de la biología La biología es una ciencia que tiene como objeto de estudio a los seres vivos, desde el punto de vista de su origen, los cambios que han sufrido a través del tiempo, es decir, sus cambios evolutivos, sus propiedades y características, como la forma y tipo de reproducción, su nutrición, el metabolismo y sus adaptaciones. Audesirk, T., Audesirk, G. y Byers B. (2008) mencionan que la biología se ocupa de estudiar y describir las características y el comportamiento de los organismos conocidos propiamente como especies, asimismo la interacción entre estas y el entorno, esta ciencia ocupa una posición entre las llamadas “ciencias de la naturaleza” —las que se ocupan del estudio de la materia—; de igual manera Starr y Taggart (2004) asumen que de esta forma es posible estudiar y comprender la estructura de los ecosistemas y del propio planeta Tierra (figura 1.2), con el fin de establecer las leyes generales que rigen la vida orgánica y los principios explicativos fundamentales de esta.

Figura 1.1 Jean-Baptiste Lamarck, biólogo francés, estudió medicina y botánica, publicó tratados sobre temas como meteorología, geología, química y paleontología.

La biología como ciencia

Biología: como ciencia

Niveles de organización de la materia viva

Características de la ciencia

Características del método cientíﬁco aplicado a la biología

Deﬁnición de la biología

Químico

Sistemática

Observación

Celular

Metódica

Planteamiento del problema (pregunta)

Tejido

Objetiva

Formulación de la hipótesis

Orgánico

Veriﬁcable

Relación entre Biología y otras ciencias

Experimentación Individual Ecológico

Modiﬁcable

Análisis de datos (resultados) Conclusiones

Figura 1.2 La biología como ciencia.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

La biología como cualquier disciplina se apoya en muchas otras ramas del conocimiento para enriquecerse y desarrollarse, y sobre todo lograr cumplir su objeto de estudio, tal y como lo veremos más adelante. Como ciencia moderna además se subdivide y especializa en áreas muy concretas del conocimiento, como es el caso de la biología molecular, donde se estudian y analizan los fenómenos que ocurren a nivel de las partículas fundamentales de la materia viva, la relación y los efectos de las sustancias químicas en los procesos del metabolismo, la biología celular pretende describir los procesos vitales de las células y de los fenómenos que ocurren en su interior, así como de la función y estructura de los organelos celulares. Estos temas serán abordados en las siguientes unidades de este libro.

1.2 Ramas de la biología Las ramas de la biología permiten concentrar el conocimiento existente en puntos específicos de investigación (figura 1.3). A continuación, se describen algunas de las ramas de la biología: • Taxonomía Estudia las clasificaciones y nomenclaturas de los seres vivos con base en caracteres comunes. • Fisiología Es la ciencia que estudia las funciones en los organismos vivos. • Histología Estudia todo lo que se relaciona con tejidos orgánicos. Desde su estructura microscópica y su desarrollo, hasta sus funciones. • Etología Estudia el comportamiento y el carácter de los organismos en su entorno natural. • Citología Estudia la célula: estructura, comportamiento, desarrollo, reproducción y función. • Genética Busca entender y explicar la transmisión de la herencia biológica de generación en generación. Su principal objeto de estudio son los genes, formados por segmentos de ácido ribonucleico (ARN) y de ácido desoxirribonucleico (ADN). • Botánica Comprende el estudio de los vegetales: incluye su descripción, clasificación, distribución, identificación, reproducción, morfología y fisiología. • Zoología Se encarga del estudio de los animales desde diversos ámbitos, como la biología, la fisiología, la morfología y la ecología, entre otros. • Ecología Se encarga del estudio de las relaciones entre los diferentes seres vivos que habitan un espacio y las relaciones entre ellos y su entorno. Analiza también la distribución y la abundancia de los organismos, así como la transformación de los flujos de energía y las interacciones entre organismos. • Bacteriología Comprende el estudio de las bacterias.

1.3 El método cientíﬁco en la biología

Biología

clasiﬁca a los

seres vivos

haciendo uso de la

taxonomía describe cambian y se adaptan

organismos

esto lo analiza la

evolución

desde su

genética

apoya también a la

se relaciona con la

Figura 1.3 Mapa conceptual de algunas ramas de la de biología y su relación entre sí.

1.3 El método científico en la biología El método científico es un procedimiento mediante el cual podemos alcanzar un conocimiento de la realidad, obteniendo respuestas a diversas interrogantes. La ciencia, por tanto, es el resultado de aplicar el método científico a problemas para resolverlos mediante el desarrollo de una investigación científica; y el método científico es un proceso sistemático por medio del cual se obtiene el conocimiento, basándose en la observación y la experimentación. Como te darás cuenta, el razonamiento científico constituye un estricto proceso de deducción el cual implica una serie de pasos a seguir como lo es la experimentación y la comprobación de una hipótesis. Los pasos completos se describen a continuación: 1. Observación. Consiste en percibir y desarrollar el conocimiento del mundo exte-

rior a través de los sentidos y del posterior registro de la información. 2. Planteamiento del problema (pregunta). Es el cómo o el porqué, es la parte de un

4. 5.

trabajo de investigación en la cual se expone una cuestión que se quiere aclarar. Por lo general, es la base de todo estudio. Formulación de la hipótesis. Consiste en la elaboración de un enunciado que surge de manera previa al desarrollo de una determinada investigación, es una manifestación que realizan los investigadores cuando especulan sobre el resultado de una investigación o experimento. Experimentación. Consiste en el estudio de un fenómeno, es un procedimiento mediante el cual se trata de comprobar la hipótesis previamente formulada. Análisis de datos (resultados). Es un procedimiento que permite conocer e interpretar la información y datos obtenidos, con la ﬁnalidad de identiﬁcar los resultados de manera concreta. Esto nos llevará a rechazar o aceptar la hipótesis. Este paso se lleva a cabo gracias a los resultados obtenidos, los cuales permiten aceptar o rechazar la hipótesis, con lo cual se puede replantear una nueva experimentación. Conclusiones. Son la interpretación de los hechos de acuerdo con los datos obtenidos, son la última parte de este proceso y la más importante.

Importantes investigadores como Pasteur, Newton, Mendel, Darwin, entre otros, formularon hipótesis a través de observaciones y experimentos, generaron teorías, las

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

comprobaron o refutaron. ¿Consideras que estos y muchos otros cientíﬁcos han llevado a cabo el método cientíﬁco?

1.4 Concepto de vida Como ya se ha deﬁnido, la biología consiste en el estudio de la vida. Pero, te has preguntado ¿qué es la vida? Es momento de revisar qué características consideran los biólogos como características propias de la vida. Seguramente relacionas a la vida con la capacidad que un organismo tiene de nacer, crecer y reproducirse. Aunque esta concepción no es errónea, es una deﬁnición sencilla de este concepto.

1.5 Características de los seres vivos y su organización 1. Organización, los seres vivos contienen partes que están especializadas y

coordinadas para realizar funciones específicas. Todos los seres vivos se conforman de una o más células, las cuales como veremos más adelante se consideran las unidades fundamentales de la vida. Un ejemplo de esto son los tejidos (figura 1.4) los cuales se agrupan y forman órganos. 2. Metabolismo, la vida depende de una enorme cantidad de reacciones químicas que se llevan a cabo dentro de las células, estas reacciones en conjunto permiten a los organismos realizar cualquier trabajo, como moverse, mantener la estructura, realizar funciones como la fotosíntesis, la respiración, etc. Para esto es necesario usar energía y consumir nutrientes, los cuales permitirán dichas reacciones químicas, la suma Figura 1.4 Tejido formado por células. total de esto es lo que se conoce como metabolismo. 3. Homeostasis, se refiere a la capacidad que tienen los organismos para regularse a sí mismos de forma interna. La regulación del medio interno o homeostasis (figura 1.5) es fundamental para mantener las condiciones necesarias para la función celular, por ejemplo, el cuerpo humano mantiene una temperatura corporal de 35-36 °C respecto al ambiente externo. En días calurosos, el cuerpo responde a este estímulo mediante la sudoración, para evitar el aumento de la temperatura corporal, asimismo el cerebro enviará señales de “sed” para mantener hidratado a todo el sistema. 4. Crecimiento, los seres vivos experimentan crecimiento regulado, al mismo tiempo de forma interna las células aumentan de tamaño, ya sean unicelulares o multicelulares. Los organismos multicelulares acuFigura 1.5 Liebre cuyo hábitat es el desierto posee las orejas muy delgadas, casi transmulan muchas células mediante un proceso llamado división celular. parentes y muy venosas, las cuales usa para Casi todos los seres vivos empezaron como una sola célula cigoto, la disipar el calor y regular su medio interno. cual se dividió constantemente (desarrollo embrionario) hasta desarrollar un ser completo en estructura y función. 5. Reproducción, todo ser vivo, unicelular o multicelular puede reproducirse para crear nuevos organismos. 6. Irritabilidad, los organismos responden a los estímulos o cambios de su medio ambiente. Por ejemplo, si estás descalzo y pisas una tachuela, quitarás el pie rápidamente y sentirás dolor; algunas plantas buscan el sol a pesar de no poder “moverse”. 7. Adaptabilidad, la capacidad de los organismos de desarrollar características que les permiten responder y sobrevivir a las presiones ambientales, es progresiva y se manifiesta en cambios en estructuras o comportamientos.

1.5 Características de los seres vivos y su organización

Actividad 1.1 Aprendizaje significativo Salta durante tres minutos y analiza: Pregunta

Respuesta

¿Qué le ocurre a mi cuerpo?

¿Cuáles de las características que vimos se relacionan con lo que te sucede?

La vida y los seres vivos tienen una organización deﬁnida, por tanto, los seres vivos, pueden ser estudiados desde distintos niveles, como recordarás la química es la ciencia que estudia la materia. La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y está conformada por átomos que se organizan en niveles de complejidad, muchos forman moléculas simples, otros en cambio, tendrán propiedades que se manifestaran en las células, a partir de este nivel se designan niveles de organización de la materia viva. La organización de la materia tiene un orden de complejidad jerárquico, es decir, a mayor materia, mayor nivel de complejidad. Por ejemplo, dos o más átomos, darán como resultado una molécula (ﬁgura 1.6). En el caso de los seres vivos, su nivel de complejidad determina las estructuras y rasgos particulares de cada uno de los diferentes niveles de organización, por ejemplo, un conjunto de células resultará en un tejido; un conjunto de tejidos en un órgano; y así sucesivamente hasta llegar a los niveles superiores como lo es el ecosistema, el bioma y la biosfera.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

Organismo Población

Sistema de órganos

Órgano Comunidad

Tejido

Biosfera

Ecosistema

Célula

Organelos celulares

Molécula Bioma

Átomo

Figura 1.6 Niveles de organización de la materia viva, desde su elemento fundamental, el átomo, hasta la biosfera.

1.6 ¿Cómo se originaron los seres vivos? Históricamente se han planteado diversas teorías para explicar el origen de la vida en nuestro planeta, según se ha estudiado, los primeros restos de seres vivos datan de hace unos 3500-3800 millones de años y se estima que la Tierra se formó hace unos 4500 millones de años. Los primeros restos fosilizados de los que se tiene registro son microorganismos unicelulares, muy similares a otro grupo fósil que produce estructuras de calcio llamadas estromatolitos.

1.6 ¿Cómo se originaron los seres vivos?

Teorías del origen de la vida

¿SABÍAS QUÉ? En el mundo aún existen rastros de estos organismos y en México tenemos parte de dicho registro en el estado de Puebla en estructuras fosilizadas (ﬁgura 1.7). Si quieres saber más sobre los estromatolitos consulta este artículo: • Beraldi, H. (n.d.). Estromatolitos. Disponible desde: https://www. geologia.unam.mx/contenido/ estromatolitos

Es en Grecia donde surgen las primeras teorías que buscan explicar el origen de la vida, con la formulación de la abiogenesis, parte de la idea de que la vida puede originarse a partir de materia inerte, donde el “alma” o “éter” divino se alojaba o permitía la vida, esto dio paso a la generación espontánea, en donde filósofos y naturalistas respaldaban la idea de que los seres vivos podían surgir, por ejemplo, a partir del lodo o de la carne en descomposición, incluso de otros elementos, sin la existencia previa de otros organismos vivos. Alexander, P., et al (1922) señalan que la idea de la generación espontánea se mantuvo hasta el siglo xvii cuando Francesco Redi, médico, naturalista y filósofo italiano probó que los insectos no nacen de materia inerte o en descomposición; Redi plantea la biogénesis. En 1670, realizó un experimento por el que destacó como científico de su época, utilizando frascos con carne que dejó en descomposición (figura 1.8). Su experimento mostró la ausencia de gusanos en recipientes cerrados donde se había dejado carne pudriénFigura 1.7 Estromatolitos en Achichica, Puebla en México, dose, esto asentó un duro golpe a la teoría de la generación cerca de la orilla de la laguna. espontánea. gusanos

Frasco abierto

Frasco sellado

Frasco cubierto con gasa

gusanos

Figura 1.8 Experimento de Redi. Recipientes con carne, uno abierto, otro sellado y uno más cubierto con una tela que permitía el paso del aire. Sus resultados mostraron que en los recipientes sellados no “aparecían” moscas en la carne y en los abiertos sí.

¿Cómo surgieron estos primeros organismos unicelulares? Para explicar su origen, el primer problema es la reconstrucción de la historia biológica de la Tierra. Por medio de diversos estudios se deduce que la atmósfera terrestre en esa época carecía de oxígeno y era fundamentalmente reductora, compuesta de metano, amoniaco, vapor de agua, y anhídrido carbónico —condiciones no propicias para la mayoría de los seres vivos—. Repasaremos algunas de las teorías que han sido desarrolladas para explicar el origen de las primeras formas de vida.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

EXPERIMENTOS Materiales 2 rebanadas de manzana 1 película plástica para envolver alimentos 2 platos 1 lupa Procedimiento Envuelve una de las rebanadas con el plástico cuidando que no queden burbujas de aire atrapadas y esté por completo envuelta y lisa. Coloca las rebanadas, cada una en un plato, y ponlas en el mismo lugar de la casa donde haya luz y adecuada ventilación. Después de tres días, observa usando tu lupa: ¿qué pasó?, ¿qué cambios observas en tus muestras?, ¿la manzana tapada luce igual que la que no lo está? Compara tus muestras con un compañero.

En el siglo xix Louis Pasteur (ﬁgura 1.9) demostró y refutó de manera contundente que la generación espontánea no es posible ya que debían existir organismos precursores para la formación de descendientes. Pasteur había trabajado antes con la fermentación del jugo de uva o del vino en vinagre, esta experiencia le permitió diseñar una serie de experimentos sencillos, para demostrar que en el aire había una gran cantidad de microorganismos. (Lazcano-Araujo, 1977). En 1908, Svante August Arrhenius, físico y químico sueco, utilizó la palabra panspermia para explicar el comienzo de la vida en la Tierra a través de la llegada de “semillas” provenientes del espacio viajando a través de cometas y meteoritos, ya que estos tienen restos de materia orgánica como hidrocarburos, ácidos grasos o aminoácidos.

Oparin-Haldane y la teoría quimiosintética Alexander I. Oparin, bioquímico ruso y Haldane J.B., bioquímico escocés, investigaron de manera independiente el origen de las primeras células y llegaron a conclusiones similares por lo que esta teoría se les atribuye a los dos (ﬁgura 1.10). Para Oparin y Haldane, la atmósfera primitiva carecía de oxígeno y se le llamó reductora debido a que los gases que había eran metano CH4, hidrógeno H, amoniaco NH3, bióxido de carbono CO2, ácido cianhídrico HCN y vapor de agua.

Figura 1.9 Louis Pasteur. Cientíﬁco especializado en bioquímica, entre sus aportaciones destacan las vacunas y la invención de un sistema de eliminación de los microorganismos: la pasteurización.

Figura 1.10 A. Oparin (izquierda) y J. Haldane (derecha). Cientíﬁcos fundadores de la teoría de la evolución química de la vida.

1.6 ¿Cómo se originaron los seres vivos?

La base de este escenario, llamada la teoría de la sopa prebiótica, es la síntesis de compuestos orgánicos a partir de una atmósfera reductora, es decir, carente o baja en oxígeno a altas temperaturas y tormentas eléctricas. La concentración de estos compuestos orgánicos en agua líquida pudo dar lugar a los coacervados, precursores de la primera célula. Esta primera célula sería heterótrofa, es decir, utilizaría los compuestos orgánicos, no vivos (abióticos) como primer alimento (Menor-Salván, 2013). Esta teoría fue comprobada por Stanley Miller bajo la supervisión de Harold Urey en 1953. Mediante la construcción de un dispositivo (ﬁgura 1.11) que emulaba las características de la Tierra primitiva (ﬁgura 1.12): los gases y el vapor de agua, altas temperaturas y las fuentes de energía y ciertas variables, de las que se obtuvieron moléculas complejas como son aminoácidos, y también nucleótidos, moléculas orgánicas precursoras del material genético que compone y distingue a los seres vivos (Miller, 1953).

chispa H2O, CH4, NH3 H2, CO

dirección de circulación

electrodos

entrada de gas CH4, NH3

enfriamento

H2O fuente de calor

Figura 1.11 Experimento de Miller y Urey en el que las fuentes de energía, en combinación con los compuestos inorgánicos y vapor de agua, pudieron dar como resultado los primeros compuestos orgánicos.

Figura 1.12 Condiciones de la Tierra primitiva, descritas por Oparin y Haldane.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

Actividad 1.2 Ejercicio de integración. Imagínate como un cientíﬁco que quiere reproducir el experimento de Miller y Urey y producir los primeros compuestos orgánicos. Reúnete con dos o cuatro compañeros, y usando la imaginación viajen al pasado y analicen: 1. La Tierra primitiva tenía ciertas características, ¿cuáles eran? Características de la Tierra primitiva

2. Las características que acabas de mencionar las reconstruirás en el siguiente dispositivo para obtener los resultados deseados. Coloca en las líneas a qué característica de la Tierra primitiva se hace referencia.

chispa H2O, CH4, NH3 H2, CO

dirección de circulación

electrodos

entrada de gas CH4, NH3

enfriamento

H2O fuente de calor

Actividad de cierre

ACTIVIDAD DE CIERRE 1. Elaboren, en parejas, una línea del tiempo sobre las diversas teorías del origen de la vida, desde los ﬁlósofos griegos hasta Louis Pasteur. Para la realización de la línea del tiempo deben buscar fechas, cientíﬁcos y teorías, incluye una ilustración o recorte. 2. Completa, de manera individual, lo que se pide con base en el contenido desarrollado durante las sesiones. Destaca la importancia de la biología como una ciencia.

Enuncia las propiedades de los seres vivos.

Señala la importancia de las ciencias auxiliares para el entendimiento de los procesos biológicos, da ejemplos.

3. Aplica, después de leer el siguiente caso práctico, los pasos del método científico en este. El problema de la generación espontánea ha sido analizado con frecuencia desde un punto de vista centrado en la cuestión del origen de los gérmenes o animálculos. Pero, existe otra cuestión que ha sido desconsiderada: no el origen de la materia viva, sino su transmisión y propagación (Caponi, 2002), analizamos ya algunas hipótesis sobre la vida y su origen, un personaje importante fue Louis Pasteur quien realizó una serie de experimentos que probaron en definitiva que los microorganismos se originaban a partir de otros, asimismo demostró que todo proceso de descomposición en materia orgánica se debe a la acción de estos organismos. Para demostrarlo, preparó caldos hervidos dentro de matraces diseñados con un filtro que evitaba el paso de partículas de polvo hasta el caldo de cultivo, simultáneamente otros matraces que carecían de ese filtro, pero estaban diseñados de tal manera que poseían un cuello muy alargado y curvado que dificultaba el paso del aire, y por ello de las partículas de polvo hasta el caldo de cultivo, llamados matraces de cuello de cisne, los cuellos muy alargados que se van haciendo cada vez más finos, terminando en una apertura pequeña, y tienen forma de “S”. En cada uno de ellos metió cantidades iguales de caldo de carne, los cuales puso hervir para poder eliminar los posibles microorganismos presentes.

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

La forma de “S” era para que el aire pudiera entrar y que los microorganismos se quedasen en la parte más baja del tubo. Al cabo de un tiempo observó que nada crecía en los caldos demostrando así que los organismos vivos que aparecían en los matraces sin ﬁltro, o sin cuellos largos, provenían del exterior, quizá del polvo o en forma de esporas. Finalmente cortó el tubo en forma de “S” de uno de los matraces. El contenido del matraz abierto tardó poco en descomponerse, mientras que el cerrado permaneció en su estado inicial. Pasos del método cientíﬁco

Respuestas

Observación

Planteamiento del problema (pregunta)

Formulación de la hipótesis

Experimentación

Análisis de datos (resultados)

Conclusiones

Instrumento de evaluación

INSTRUMENTO DE EVALUACIÓN Unidad 1. La biología y su objeto de estudio Lista de cotejo Criterios de evaluación

Sí

1. El alumno comprende los conceptos de la unidad.

2. El alumno es capaz de dar una breve exposición del tema.

3. El alumno argumenta con pruebas para apoyar y sustentar el conocimiento.

4. El alumno puede crear conclusiones del tema. 5. El alumno puede redactar una idea general a través del orden de las ideas planteadas. 6. El alumno resuelve las actividades según instrucciones e indicaciones. 7. El alumno expone razones auténticas para que sean adoptadas y emplea una discusión fundamentada para justiﬁcar el punto de vista adoptado.

Nivel de desempeño

Valoración de los criterios

Referencia numérica

A Destacado

Siete criterios demostrados

B Satisfactorio

Seis criterios demostrados

Cinco criterios demostrados Cuatro criterios demostrados

8 7

Tres criterios demostrados

C Suﬁciente D Insuﬁciente

UNIDAD 1

La biología y su objeto de estudio

Comentarios generales del profesor

Autoevaluación: ¿Qué aprendí en esta unidad?

Referencias

Referencias Alexander, P., Bahret, M. J., Chaves, J., Courts, G., D’Alessio, N. S. (1922). Biología. Estados Unidos de América: Prentice Hall. 6-7, 10-17. Audesirk, T., Audesirk, G. y Byers B. E., (2008). Biología: La vida en la Tierra. México: Pearson Educación de México. Bernstein. R, Bernstein, S. (1998). Biología. (10a. ed.) Colombia: McGraw-Hill. 9-14. Caponi, S. (2002). La generación espontánea y la preocupación higienista por la diseminación de los gérmenes. Revista História, Ciências, Saúd-Manguinhos, 9(3): 591-608. Lazcano-Araujo, A. (1977). El origen de la vida. Evolución química y evolución biológica. Instituto de Astronomía y Facultad de Ciencias UNAM. México: Edicol. Menor-Salván, C. (2013). La química del origen de la vida. Divulgación de la química. Real Sociedad Española de Química Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). 109(2), 121–129. Miller, S. L. (1953). Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science. 117 (3046): 528. Pasteur, L. “Mémoire sur les corpuscules organisés qui existent dans l’atmosphère”, citado en Piquemal, J. (1993). Essais et leçons d’histoire de la médicine et de la biologie. Paris: Press Universitaire de France. Starr, C. y Taggart, R. (2004). Biología 1. La unidad y diversidad de la vida. México: Thompson.

Biología I presenta los conceptos básicos de la biología como ciencia de la vida identiﬁcando las características compartidas de los seres vivos partiendo desde la célula y sus procesos internos. Esta obra incluye elementos didácticos e instruccionales que favorecen la experiencia del aprendizaje de la ciencia. Contiene mapas conceptuales, lecturas detonantes, evaluaciones diagnósticas, experimentos, actividades de cierre, instrumentos de evaluación, prácticas de laboratorio y proyectos. Los contenidos de la obra están divididos en diez unidades, que son: Unidad 1. La biología y su objeto de estudio Unidad 2. Base molecular de la vida Unidad 3. Teoría celular Unidad 4. Estructura celular Unidad 5. Transporte celular Unidad 6. Nutrición Unidad 7. Metabolismo y las enzimas Unidad 8. La fotosíntesis Unidad 9. Respiración celular Unidad 10. División celular Cada contenido fue creado con la intención de cubrir los objetivos de aprendizaje de Biología I, de manera que el alumno logre manejar los conceptos básicos y una metodología para su aplicación a diversas situaciones, en búsqueda de las respuestas a las inquietudes que enfrente en su mundo académico y cotidiano.

ISBN-13: 978-607-570-002-1

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Biología I

Articles inside

1.2 Ramas de la biología

3.2 Grupos funcionales presentes en los compuestos