Biologia I con Enfoque por Competencias. 1a Ed. Patricia Velázquez. Cengage by Cengage

BIOLOGíA I

Con Co on enfoque por competencias

Tercer semestre

Marta Patricia Velázquez Ocampo

Con enfoq enfoque que por competencias ias

TERCE M ES T R E SE

Marta Patricia Velázquez Ocampo

Revisión técnica: Alberto Navarrete Peón Licenciado en Biología Doctor en Ciencias Biomédicas Universidad Nacional Autónoma de México

Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur

Biología I con enfoque por competencias Marta Patricia Velázquez Ocampo Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: Claudia C. Garay Castro Gerente de Manufactura para Latinoamérica: Antonio Mateos Martínez Gerente Editorial en español para Latinoamérica: Pilar Hernández Santamarina Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuﬀetti Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Editora: Ivonne Arciniega Torres Diseño de portada: Gloria Ivonne Álvarez López Imagen de portada: Neuronas © Sebastian Kaulitzki/Shutterstock.com Composición tipográﬁca: Baktun 13 Comunicación Gerardo Larios García

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 19 18 17 16

© D.R. 2017 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. 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 gráﬁco, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Datos para catalogación bibliográﬁca: Velázquez Ocampo, Patricia Biología I con enfoque por competencias ISBN: 978-607-526-206-2 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

iii

CONTENIDO GENERAL

Presentación institucional del fondo editorial Cengage Learning para el estudiante ........ ix Presentación para el docente .......................................................................................................... xi Presentación de la autora ................................................................................................................ xiv Acerca de la autora ............................................................................................................................ xv Agradecimientos .............................................................................................................................. xvii ¿Cuáles son los componentes del libro? ....................................................................................... xviii

Bloque I Reconoces a la biología como la ciencia de la vida

...........

¿Qué tanto sabes? .............................................................................................................................. Problema .............................................................................................................................................

4 5

Objeto de aprendizaje: La biología como ciencia ..........................................

Campo de acción de la biología ...........................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: Relación entre la biología y otras disciplinas ......

Objeto de aprendizaje: Niveles de organización de la materia: químico, celular, tisular, orgánico, individual y ecológico ..................................

Objeto de aprendizaje: Características de la ciencia: sistemática, metódica, objetiva, verificable y modificable .........................................

Objeto de aprendizaje: Características del método científico aplicado a la biología ................................................................................

Observación ................................................................................................................................................................

Planteamiento del problema ...............................................................................................................................

Biología I

Experimentación ......................................................................................................................................................

Análisis de los resultados ........................................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: Avances de la biología y su importancia para la sociedad .........................................................................................

Actividad integradora del bloque .................................................................................................. Lista de cotejo de periódico mural ................................................................................................. Evaluación sumativa ......................................................................................................................... Autoevaluación del desempeño en el problema ........................................................................ Rúbrica para evaluar el bloque ....................................................................................................... Autoevaluación de actividades .......................................................................................................

29 30 31 32 32 33

Bloque II Identificas las características y los componentes de los seres vivos .............................................................. 34 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. Problema .............................................................................................................................................

36 37

Objeto de aprendizaje: Características de los seres vivos: estructura, organización, metabolismo, homeostasis, irritabilidd, reproducción, crecimiento y adaptación .........................................................................

Estructura y organización .......................................................................................................................................

Metabolismo ................................................................................................................................................................

Homeostasis .................................................................................................................................................................

Reproducción ..............................................................................................................................................................

Crecimiento y desarrollo .........................................................................................................................................

Irritabilidad ...................................................................................................................................................................

Adaptación ...................................................................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: Bioelementos primarios y secundarios que conforman a los seres vivos ....................................................................

Objeto de aprendizaje: Propiedades del agua y su relación con los procesos de los seres vivos ....................................................................................... 46 Objeto de aprendizaje: Estructura y función de las biomoléculas orgánicas .................................................................

Biomoléculas orgánicas ...........................................................................................................................................

Carbohidratos ..............................................................................................................................................................

Lípidos ............................................................................................................................................................................

Contenido general

Proteínas ........................................................................................................................................................................

Nutrición saludable ...................................................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: ADN: estructura, replicación, ARN y síntesis de proteínas .....................................................................

Estructura ......................................................................................................................................................................

Replicación del ADN .................................................................................................................................................

ARN y síntesis de proteínas ....................................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: Código genético ........................................................

Actividad integradora del bloque .................................................................................................. Lista de cotejo de la muestra gastronómica ................................................................................. Evaluación sumativa ......................................................................................................................... Autoevaluación del desempeño en el problema ........................................................................ Rúbrica para evaluar el bloque ....................................................................................................... Autoevaluación de actividades ......................................................................................................

77 78 78 79 80 81

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida ..................... 82 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. Problema .............................................................................................................................................

84 85

Objeto de aprendizaje: La célula, teoría celular ...........................................

Objeto de aprendizaje: Teorías de la evolución celular ...............................

Teoría de la evolución química .............................................................................................................................

Teoría de la panspermia ...........................................................................................................................................

Hipótesis hidrotermal ...............................................................................................................................................

Mundo del ARN ...........................................................................................................................................................

Objeto de aprendizaje: Tipos celulares procariota y eucariota: estructura y función ..................................................................................

Célula procariótica .....................................................................................................................................................

Célula eucariótica .......................................................................................................................................................

Evolución de procariontes a eucariontes ..........................................................................................................

Estructura de las células eucariotas: animal y vegetal ..................................................................................

100

Componentes de la célula ......................................................................................................................................

100

Objeto de aprendizaje: Procesos celulares .................................................... 102 Membrana celular, el transporte de sustancias y la comunicación celular ...........................................

102

Biología I

El núcleo como centro de información y reproducción de la célula .......................................................

106

Organelos relacionados con la elaboración y el transporte de biomoléculas: ribosomas, aparato de Golgi y retículo endoplásmico .........................................................................

107

Centros de almacenamiento y procesamiento de sustancias: vacuolas, vesículas, peroxisomas y lisosomas .................................................................................................................................

109

Estructuras relacionadas con procesos energéticos: mitocondrias y cloroplastos ............................

110

Estructuras de soporte y movimiento: citoesqueleto, cilios y flagelos ...................................................

112

Actividad integradora del bloque .................................................................................................. Lista de cotejo del modelo de célula ............................................................................................. Evaluación sumativa ......................................................................................................................... Autoevaluación del desempeño en el problema ........................................................................ Rúbrica para evaluar el bloque ....................................................................................................... Autoealuación de actividades .........................................................................................................

115 115 116 117 117 117

Bloque IV Describes el metabolismo de los seres vivos ........................ 118 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. 120 Problema ............................................................................................................................................. 121

Objeto de aprendizaje: Tipos de energía: reacciones endotérmicas y exotérmicas ................................................................................................ 122 Transformaciones de la energía en los seres vivos ........................................................................................

124

Reacciones exotérmicas y endotérmicas ..........................................................................................................

125

Objeto de aprendizaje: Estructura, función y ciclo del adenosín trifosfato ................................................................... 126 El adenosín trifosfato y la energía en las células .............................................................................................

126

Objeto de aprendizaje: Metabolismo ............................................................. 132 Anabolismo y catabolismo .....................................................................................................................................

133

Procesos anabólicos ..................................................................................................................................................

134

Procesos catabólicos .................................................................................................................................................

141

Objeto de aprendizaje: Formas de nutrición autótrofa y heterótrofa ....... 147 Nutrición autótrofa ....................................................................................................................................................

147

Nutrición heterótrofa ................................................................................................................................................

149

Actividad integradora del bloque .................................................................................................. 151 Rúbrica para evaluar la participación en el debate .................................................................... 152 Evaluación sumativa ......................................................................................................................... 152

Contenido general

vii

Autoevaluación del desempeño en el problema ........................................................................ 154 Rúbrica para evaluar el bloque ....................................................................................................... 154 Autoevaluación de actividades ...................................................................................................... 155

Bloque V Valoras la biodiversidad e identificas estrategias para preservarla .................................................................. 156 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. 158 Problema ............................................................................................................................................. 160

Objeto de aprendizaje: Clasificación de los seres vivos .............................. 161 Linneo ............................................................................................................................................................................

161

Whittaker .......................................................................................................................................................................

162

Woese .............................................................................................................................................................................

163

Objeto de aprendizaje: Características de los virus ..................................... 164 Forma de replicación ................................................................................................................................................

165

Criterios para clasificar los virus ............................................................................................................................

165

Ejemplos de enfermedades que ocasionan .....................................................................................................

167

Objeto de aprendizaje: Dominio Archaea ..................................................... 169 Criterios de clasificación ..........................................................................................................................................

170

Importancia de las arqueobacterias ....................................................................................................................

171

Objeto de aprendizaje: Dominio Eubacteria ................................................. 171 Reproducción ..............................................................................................................................................................

172

Respiración y nutrición ............................................................................................................................................

173

Formas y criterios de clasificación de las bacterias ........................................................................................

174

Importancia de las bacterias ..................................................................................................................................

175

Objeto de aprendizaje: Dominio Eukarya ...................................................... 176 Reino Protista ...............................................................................................................................................................

177

Reino Fungi (hongos) ................................................................................................................................................

180

Reino Plantae (plantas) ............................................................................................................................................

182

Reino Animalia (animales) ......................................................................................................................................

186

Importancia del cuidado de la biodiversidad ..................................................................................................

193

Reflexión final ...............................................................................................................................................................

194

Actividad integradora del bloque .................................................................................................. 195 Rúbrica para la evaluación del proyecto integrador .................................................................. 196

viii

Biología I

Heteroevaluación .............................................................................................................................. 197 Rúbrica de autoevaluación .............................................................................................................. 198 Autoevaluación de actividades ...................................................................................................... 198 Evaluación sumativa ﬁnal ............................................................................................................... Anexo de actividades experimentales .......................................................................................... Bibliografía consultada .................................................................................................................... Páginas web ........................................................................................................................................

199 201 213 214

Presentación institucional del fondo editorial Cengage Learning para el estudiante Estimada(o) estudiante: El libro que tienes en tus manos constituye un compromiso que Cengage Learning Editores ha establecido con la educación de los jóvenes en México. Las condiciones sociales, económicas y culturales de la actualidad exigen la formación de ciudadanos con capacidades intelectuales y actitudinales que les permitan contribuir al desarrollo constante y sostenible de su entorno; que sean personas reflexivas que posean opiniones personales, así como la habilidad para interaccionar en contextos plurales; que asuman un papel propositivo como integrantes de la sociedad a la que pertenecen, disciernan sobre lo que es relevante y lo que no lo es, establezcan objetivos precisos con base en la información verificable y tengan la inquietud de actualizarse continuamente. Por ello, Cengage Learning Editores se dio a la tarea de renovar y mejorar las propuestas educativas que hasta la fecha ha ofrecido a jóvenes que estudian el bachillerato, de manera que éstas constituyan para ustedes verdaderas herramientas de apoyo y les ayuden a responder en forma positiva ante las exigencias y los retos de hoy en día. Biología I con enfoque por competencias corresponde al programa oficial vigente para los estudiantes de la asignatura de Biología I del Bachillerato General, dentro del campo disciplinar de las Ciencias experimentales. Además, contiene actividades que te permitirán consolidar, diversificar y fortalecer los aprendizajes adquiridos. Encontrarás mayor sentido de lo que vas aprendiendo al hacer conexiones entre lo que vas estudiando y la realidad de tu entorno. Esta propuesta educativa se orienta principalmente a que: • Establezcas la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. • Fundamentes opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en tu vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. • Identifiques problemas, formules preguntas de carácter científico y plantees hipótesis necesarias para responderlas. • Obtengas, registres y sistematices la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. • Contrastes los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comuniques tus conclusiones. • Explicites las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. • Diseñes modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Biología I

• Analices las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valores las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. • Decidas sobre el cuidado de tu salud a partir del conocimiento de tu cuerpo, tus procesos vitales y el entorno al que perteneces. • Relaciones los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. • Apliques normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de tu vida cotidiana. Ten la seguridad de que realizando lo anterior con entusiasmo no sólo aprenderás más sobre la historia, sino que desarrollarás actitudes y aptitudes que te permitirán un mejor desenvolvimiento dentro de tu entorno escolar, familiar y social.

Acerca de la autora

Marta Patricia Velázquez Ocampo La autora es bióloga egresada de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM); ha realizado diversos Diplomados en Educación y cuenta con la Certificación en Competencias Docentes para la Educación Media Superior (CERTIDEMS). Colaboró con la Dirección General del Bachillerato (DGB) en la elaboración de los programas de Biología I y II de acuerdo con la Reforma integral de la Educación Media Superior (RIEMS). Participó como escritora de libros de Telesecundaria, en la Secretaría de Educación Pública y colaboró con el Instituto Nacional de la Comunicación Educativa (ILCE) escribiendo Guías para la Actualización de profesores de Ciencias Naturales. Ha publicado libros de Biología I, Biología II y Temas selectos de Biología e impartido talleres y conferencias en diversas instituciones del país. Cuenta con 30 años de experiencia docente en instituciones como la UNAM, el Colegio de Bachilleres y diversas instituciones privadas de nivel Medio Superior.

xviii

¿Cuáles son los componentes del libro? Entrada Contiene el propósito del bloque, los desempeños del estudiante al concluir el bloque, los objetos de aprendizaje y las competencias a desarrollar.

¿Qué tanto sabes? Evaluación diagnóstica que te permite conocer cuáles son tus conocimientos previos sobre los temas del bloque.

Mapa conceptual Señala gráficamente los conceptos principales del bloque y las relaciones que existen entre ellos.

Problema Al inicio de cada bloque se plantea un problema para que intentes resolverlo al principio y compares tus respuestas con las que puedas aportar después de haber estudiado el bloque.

Actividad de apertura Contiene preguntas o actividades que actúan como detonadoras, generando el interés por lo que se va a estudiar

¿Cuáles son los componentes del libro?

Transferencia para la vida Actividades para relacionar tus aprendizajes de manera práctica con aspectos de la vida cotidiana.

Actividades de aprendizaje Son ejercicios de aplicación de los conocimientos para el desarrollo de competencias, que puedes resolver en clase o en casa; individuales

o colectivas.

Glosario Definiciones de términos relevantes.

Actividad integradora del bloque Actividad de cierre que engloba diversos aspectos aprendidos en el bloque, favorece el trabajo colaborativo y la aplicación del conocimiento.

Instrumentos de evaluación Evaluaciones formativas, sumativas, rúbricas, listas de cotejo, que permiten la retroalimentación sobre los avances en el aprendizaje.

Anexo de actividades experimentales Al resolverlas desarrollarás las habilidades para el uso de material de laboratorio y diversas sustancias con las que podrás observar los fenómenos a nivel microscópico.

Aplica las TIC Propuestas de páginas web en las que encontrarás lecturas complementarias de interés para profundizar en los temas tratados.

Bloque I Reconoces a la biologĂa como la ciencia de la vida

Propósito: Que el alumno desarrolle las destrezas y las habilidades que le permitan identiﬁcar el campo de estudio de la biología y su relación con otras ciencias, así como sus aplicaciones en la vida cotidiana, reconociendo su carácter cientíﬁco.

Desempeños al concluir el bloque: % Identiﬁca el campo de estudio de la biología y su interrelación con otras ciencias. % Reconoce las aplicaciones de la biología en su vida cotidiana así como su impacto ambiental, social y económico. % Reconoce el carácter cientíﬁco de la biología.

Objetos de aprendizaje: % La biología como ciencia % Relación entre la biología y otras disciplinas % Niveles de organización de la materia viva: % Químico, celular, tisular, orgánico, individual y ecológico % Características de la ciencia: % Sistemática, metódica, objetiva, verificable y modificable % Características del método científico aplicado a la biología Competencias a desarrollar: % Elige las fuentes de información más relevantes para establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos sociales específicos. % Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los seres vivos. % Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. % Utiliza las tecnologías de la información y la comunicación para obtener, registrar y sistematizar información para responder preguntas de carácter científico consultando fuentes relevantes y/o realizando experimentos pertinentes. % Contrasta los resultados obtenidos en un experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones aportando puntos de vista con apertura y considerando las de otras personas de manera reflexiva. % Define metas y establece mecanismos básicos para la solución de problemas cotidianos. Tiempo asignado al bloque: 6 horas

¿Qué tanto sabes? Para rescatar los conocimientos que adquiriste anteriormente acerca de los temas de este bloque te invitamos a resolver estas preguntas. 1. Describe algún avance reciente de la biología sobre el que hayas escuchado en las noticias o leído en algún

medio escrito (periódico, revista o internet).

2. ¿Cuál es la unidad más pequeña que conserva las propiedades de la vida? 3. Dibuja cómo relacionas a un átomo, una célula y una molécula.

4. ¿Cuál de los tres anteriores tiene un mayor nivel de complejidad? 5. Elabora un esquema en el que ubiques la relación de la biología con otras ciencias.

6. Describe cómo te imaginas a un cientíﬁco. ¿En qué basas tu idea?

7. Explica, en tu opinión, ¿cuál es la importancia de la biología para la sociedad?

8. ¿Es necesario conservar la naturaleza? ¿Por qué?

9. Reﬂexiona y anota un ejemplo en el que relaciones la biología con tu vida cotidiana.

Bloque I Reconoces a la biología como la ciencia de la vida

Mapa conceptual

Biología

ciencia que estudia

abarca diversas

se relaciona con

seres vivos

ramas

ciencias afines

como

por ejemplo

conformados por

se estudian por

niveles de organización

método científico

como

se basa en

• • • • • • • •

molécula célula tejido órgano sistema organismo población ecosistema

• observación • experimentación • análisis

• • • • • • •

genética citología microbiología paleontología botánica zoología fisiología

• • • •

geografía física química matemáticas

Introducción ¿Te imaginas cómo sería nuestro mundo sin plantas, animales o seres humanos? El paisaje sería similar al de la Luna o de algún lugar desolado. La gran diversidad de formas de vida, incluidos nosotros, es la que da sentido y belleza a este planeta azul en que vivimos. La biología es la ciencia que nos conduce al entendimiento del mundo vivo que nos rodea, desde las partículas más pequeñas que participan en la química de un organismo hasta la organización de grandes grupos de animales y plantas que habitan en los diferentes ecosistemas. En otras palabras, es la ciencia que estudia a los seres vivos en todos sus niveles de complejidad, así como las interacciones entre las especies y su relación con el ambiente. En este bloque conocerás la importancia de esta ciencia en el mundo actual, sus aplicaciones y la relación que tiene con la vida cotidiana. Asimismo, conocerás acerca de las ciencias con las que se vincula, los niveles de organización de la materia y la forma en que se lleva a cabo el trabajo cientíﬁco.

Problema Lee la siguiente historia y con base en tus conocimientos actuales intenta resolver el problema que se plantea. Posteriormente, al terminar de estudiar este bloque, resuélvelo de nuevo aplicando los conocimientos y los elementos que hayas adquirido en las actividades realizadas. Compara tus respuestas para que hagas una autoevaluación de los avances logrados.

Biología I

El extraño caso en el pueblo de Genaro de expertos para realizar una investigación al respecto. Los expertos se dedicaron a averiguar la edad de los enfermos, lo que comían, qué condiciones tenía el agua que bebían, si había algún tipo de insectos rondando en las casas, si las ﬂores desprendían polen o si había algún otro factor que causara este problema.

Escozor: sensación de picor y ardor intenso.

Si tú fueras el encargado de investigar este problema: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

¿A qué especialistas de diversas ramas de la biología llamarías para que realizaran una investigación? ¿A qué científicos, además de biólogos, invitarías para formar un equipo de trabajo? Plantea al menos cuatro hipótesis para explicar el problema. Elige una de estas hipótesis y anota cuál sería el procedimiento que seguirías para averiguar si es correcta. ¿Qué necesitarías tomar en cuenta para que los resultados de tu investigación fueran válidos? Explica qué importancia tiene la biología para la investigación de las causas de enfermedades y su posible tratamiento.

Objeto de aprendizaje

La biología como ciencia

Actividad de apertura © Photolinc/Shutterstock.com

GLOSARIO

Genaro vive en un pueblito que se encuentra en una zona boscosa, llena de ﬂores, con un riachuelo que la rodea y un clima agradable todos los días del año. Hace algunos meses, en esta región, la gente comenzó a observar que a algunos niños y adultos les salían ronchas en la piel. Estas ronchas les causaban escozor y malestar, y eran tantos los enfermos que se tuvo que llamar a un grupo

¿Sabes qué estudia la biología? ¿Cómo se relaciona con tu vida cotidiana? Participa con tus compañeros en una lluvia de ideas acerca de los diversos aspectos en los que interviene la biología, como los avances en la búsqueda de tratamientos para el cáncer, el SIDA, la inﬂuenza, el zika, la diabetes y otras enfermedades; los alimentos transgénicos, las pruebas de ácido desoxirribonucléico (ADN), la extinción de especies, el calentamiento global y otros que puedan comentar. Figura 1.1 La biología nos ayuda a entender todos los ámbitos de la vida en nuestro planeta, desde el nivel molecular hasta los seres más complejos.

GLOSARIO

Desde tiempos inmemoriales el ser humano ha contemplado la naturaleza con un sentido de asombro y curiosidad. El mundo vivo que nos rodea es tan diverso como las estrellas que hay en el Universo: existen desde pequeños microorganismos hasta formas inimaginables de animales marinos, plantas de todos tamaños, hongos de colores que esconden venenos peligrosos, aves cantadoras y pequeños animales que amamos como mascotas. En fin, hay mucho por conocer y comprender de los seres vivos, y si profundizamos en la investigación de lo que hay dentro de nosotros mismos también descubriremos un mundo fascinante de moléculas y células perfectamente organizadas para cumplir con todas sus funciones. La biología, además de ser la ciencia que estudia a los seres vivos, es una disciplina que forma parte de nuestra vida diaria. Por ejemplo, seguramente, mientras te diriges a la escuela cada día observas en tu camino algunos árboles, flores e insectos; o quizá en las noticias has escuchado sobre los virus de chikungunya, zika o ébola, o acerca de los problemas que se han generado en diversos ecosistemas por los efectos del calentamiento global. Un ejemplo reciente que podría interesarte es la contingencia ambiental en la Ciudad de México. Incluso en los anuncios comerciales se habla acerca de las proteínas del cabello que contiene alguna marca de champú, de los avances en la ciencia para el tratamiento de diversas enfermedades, como el acné o el pie de atleta, y es común escuchar en alguna conversación acerca de controversias sobre los riesgos de la producción de alimentos transgénicos. Transgénicos: organismos En todos estos aspectos, la biología se encuentra directamente relacionada pues modificados a los que se ha introducido artificialmente uno o estudia a los seres vivos en todos sus niveles de complejidad, desde la molécula has- más genes. ta el individuo completo; estudia también los genes, las bases neuronales del pensamiento, la forma en que funcionan los seres vivos, las relaciones de las especies con su ambiente, el origen de las enfermedades que nos deterioran, el comportamiento animal y la historia de la vida en todas sus manifestaciones. En términos más concretos, podemos definir a la biología como una ciencia experimental, sistemática y basada en una metodología, que pretende describir los procesos que comparten los seres vivos, la forma en que se mantiene y multiplica la vida, la biodiversidad y las relaciones de los organismos con su ambiente. Esta ciencia se relaciona con otras como la química y las matemáticas para generar conocimientos de aplicación universal. La biología nació de la curiosidad del ser humano por entender los fenómenos relacionados con la vida y por describir cada una de las partes de los seres vivos que existen en el mundo. En un principio, fue una disciplina predominantemente descriptiva que consistía en hacer un largo inventario de todas las especies de plantas y animales. Los naturalistas (los biólogos del pasado) se dedicaban a recolectar organismos y describirlos de manera minuciosa, asignándoles un nombre científico. Esta ciencia fue objeto de largas discusiones filosóficas que pretendían explicar la “esencia de la vida” a partir de la reflexión influida por las ideas preconcebidas de los pensadores que participaban en ellas. Poco a poco, al apoyarse cada vez más en una observación cuidadosa y metódica de los fenómenos naturales, la biología pasó de ser una ciencia descriptiva (y algunas veces subjetiva) a ser experimental y Figura 1.2 La biología estudia la biodiversidad de especies, objetiva, de manera que se cambiaron viejas ideas para dar las relaciones entre los organismos, así como la interacción lugar a nuevas teorías científicas. con su ambiente.

Bloque I Reconoces a la biología como la ciencia de la vida

Biología I

La biología actual se basa en tres teorías que han causado gran controversia en el momento de ser propuestas, pero que están ampliamente fundamentadas por todas las evidencias generadas y documentadas hasta la fecha. Dichas teorías, pilares de la biología actual, son:

Paradigma: teoría o conjunto de teorías que suministran la base y el modelo para resolver problemas y avanzar en el conocimiento.

GLOSARIO

• Teoría celular: demuestra que todos los seres vivos están formados por células y, por lo tanto, da unidad al mundo vivo. • Teoría de la evolución: muestra que los seres vivos que conocemos, con toda su diversidad, tuvieron un origen común y están emparentados entre sí. De igual manera nos muestra la forma en la que los seres vivos se adaptan a su ambiente para sobrevivir. • Teoría de la herencia: nos muestra la base de la continuidad, de la permanencia de los caracteres hereditarios que pasan de una generación a otra basados en las leyes de Mendel. Esta teoría se ha fortalecido con el descubrimiento de la estructura del ADN y el conocimiento de los procesos moleculares de la transmisión de la información genética.

Figura 1.3 La Tierra responde como un todo a los daños que recibe, como si fuera un solo ser vivo.

Cabe mencionar que recientemente se ha considerado a la teoría de la homeostasis como el cuarto paradigma de la biología. Ésta se refiere al mantenimiento continuo de un mismo estado fisiológico que permite la correcta función de un organismo. Estas cuatro teorías nos han permitido descubrir que todos los seres vivos tenemos mucho en común en cuanto a las estructuras celulares que nos forman, que los procesos químicos y ﬁsiológicos para mantenernos vivos y en un estado funcional son similares en todas las especies; que tenemos ancestros comunes, por lo que formamos una gran familia que se originó hace varios miles de millones de años, y que todos nos reproducimos a través de los genes, formados por la misma molécula de la herencia, que es el ADN. Así, hoy en día, gracias a estas cuatro teorías, podemos integrar la enorme gama de fenómenos biológicos y estudiarlos en su conjunto de manera organizada y sistematizada. A través del tiempo, la biología ha avanzado gracias al desarrollo de la tecnología. El diseño de microscopios cada vez más potentes y de técnicas para estudiar las moléculas de la vida junto con el perfeccionamiento de la computadora, han sido decisivos para que esta ciencia se encuentre a la vanguardia, dando lugar a tecnologías nunca antes imaginadas. Con el apoyo de la tecnología hemos logrado comprender los fenómenos biológicos en todos los niveles, desde el microscópico y bioquímico, hasta la imagen macroscópica de nuestro planeta azul visto desde el espacio, lo que nos ha hecho cobrar conciencia de que la Tierra semeja un enorme ser vivo que responde como un todo a los daños que recibe. Así, ha surgido la creciente necesidad de encontrar alternativas para disminuir el impacto ambiental producido por el ser humano en los diversos ecosistemas, que ha generado un calentamiento global que nos preocupa y causa cada vez más problemas.

Figura 1.4 La biología ha tenido grandes avances pero aún hay mucho por descubrir.

Biotecnología: empleo de células vivas para la obtención y mejora de productos útiles como los alimentos y los medicamentos.

Actividad de aprendizaje 1 Organícense en parejas y en sus cuadernos realicen lo que se les pide. Después comenten su trabajo con el resto del grupo. 1. 2. 3. 4.

Elaboren una deﬁnición de lo que estudia la biología. Anoten dos ejemplos de acciones de la vida cotidiana relacionadas con la biología. Describan algún descubrimiento de la biología que haya mejorado la salud de las personas. Mencionen algún aspecto relacionado con la biología que aún falta por ser comprendido o por solucionar.

Campo de acción de la biología El trabajo de los biólogos abarca diversos ámbitos debido a que la biología estudia los procesos de los seres vivos desde distintos puntos de vista, tanto en el nivel microscópico como en el macroscópico. Así, se puede estudiar en un laboratorio o en el campo; podemos interesarnos en los procesos microscópicos que ocurren en los seres vivos, estudiar las biomoléculas o bien los órganos de un animal o una planta. De igual forma podemos interesarnos en todo un conjunto de organismos, su comportamiento y sus respuestas ante los cambios ambientales. La biología abarca un campo de conocimiento tan amplio que es posible estudiar de manera especializada alguna de sus ramas. Los paleontólogos, por ejemplo, visitan zonas donde pueden encontrar vestigios de organismos de otras épocas y trabajan en excavaciones donde recuperan los fósiles de animales o plantas. En cambio, un biólogo molecular, que hace experimentos con el ADN, trabaja en laboratorios muy avanzados, donde cuenta con equipo soﬁsticado para obtener la secuencia del ADN e insertar pequeños trozos de esta molécula en células que se mantienen en cultivos. Los etólogos, dedicados al estudio del comportamiento animal, pasan largas horas en el campo observando a los ejemplares que marcan y siguen con aparatos muy precisos; mientras que los neurobiólogos estudian con todo detalle las sustancias

GLOSARIO

Por otra parte, los grandes avances de la biología molecular han permitido al ser humano no sólo comprender la forma en que funcionan los seres vivos, sino también la manera en que éstos pueden ser modiﬁcados en el nivel genético. Esta ciencia ha cobrado tal importancia que se dice que actualmente vivimos en el “siglo de la biología” debido a los avances extraordinarios de la genética y a los descubrimientos que han permitido controlar enfermedades que antes nos asolaban, diseñar nuevas estrategias para una mayor producción de alimentos y desarrollar biotecnologías que facilitan la vida de la Humanidad. Sin embargo, aún hay mucho por hacer. Para muchos, la biología sigue siendo una gran aventura: el reto de develar los secretos de la naturaleza y descifrar sus misterios por el simple hecho de atreverse a hacerlo.

Bloque I Reconoces a la biología como la ciencia de la vida

Biología I

que hacen que una persona se sienta feliz y animada o triste y deprimida, y para ello deben trabajar en un laboratorio donde cuenten con equipo adecuado. Así, la biología de nuestros tiempos ha evolucionado tanto que ha llegado a la especialización de los que se dedican a ella y trabajan en el área de su interés. Veamos cuáles son las ramas más importantes y lo que estudia cada una en los cuadros 1.1 y 1.2. Cuadro 1.1 Ramas principales de estudio de la biología.

Figura 1.5 Los paleontólogos trabajan con fósiles, para descubrir la historia de la vida en la Tierra.

Ramas de la biología Anatomía Biofísica Bioquímica Citología Ecología Embriología Etología Evolución

Fisiología Genética Histología Paleontología Taxonomía

Materia de estudio Estructura y localización de órganos y sistemas de los seres vivos. Procesos físicos de los seres vivos. Biomoléculas y procesos químicos de los seres vivos. Estructura y procesos celulares. Relaciones de los seres vivos entre sí y con el ambiente. Procesos del desarrollo de los embriones a partir de la fecundación. Comportamiento animal. Historia de la vida y las teorías sobre los procesos que dieron lugar a la biodiversidad actual y la adaptación de los organismos a su medio. Funciones de los sistemas y órganos de los seres vivos. Procesos hereditarios desde el nivel molecular y celular del individuo y de la población. Estudio de la estructura y composición de los tejidos de los seres vivos. Fósiles y evidencias de la evolución. Clasiﬁcación de los seres vivos de acuerdo con los criterios establecidos por los avances en anatomía, ﬁsiología, bioquímica y genética.

Cuadro 1.2 Ramas de la biología según los organismos que estudia. Virología Bacteriología Protozoología Microbiología Micología Ficología Botánica Zoología

Virus Bacterias Protozoarios Organismos de tamaño microscópico como virus, bacterias, protozoarios y hongos Hongos Algas Plantas Animales

Bloque I Reconoces a la biología como la ciencia de la vida

Actividad de aprendizaje 2 1. Lleva a tu clase una noticia reciente relacionada con algún avance en la biología; puede ser del periódico, de

internet o de alguna revista de divulgación. 2. Reúnanse en equipos, comenten la noticia que cada uno llevó y entre todos decidan a cuál rama o ramas de la biología corresponde. 3. Elijan la noticia que consideren más importante, después elaboren y escriban en colaboración un resumen de ella. 4. Comenten su resumen con sus compañeros de grupo.

Transferencia para la vida Reﬂexiona acerca de las distintas ramas de la biología y elige las cinco que te parezcan más interesantes y que consideres importantes para solucionar problemas actuales. Ilústralas en tu cuaderno con imágenes alusivas.

Objeto de aprendizaje

Relación entre la biología

y otras disciplinas Actividad de apertura

es el trabajo interdisciplinario? ¿Qué será mejor: trabajar aislado o de manera colaborativa en la solución de un problema? Después, realicen lo siguiente: cada uno de ustedes asumirá una profesión diferente (geógrafo, historiador, matemático, químico, biólogo, informático y comunicólogo). Imaginen que se encuentran frente al reciente problema de la la transmisión del virus Zika por medio del mosquito Aedes. 2. Cada uno de los integrantes, de acuerdo con la profesión que le corresponde, señalará en el siguiente cuadro cuál es el trabajo que debe desempeñar para colaborar en el seguimiento y la búsqueda de soluciones. 3. Al terminar, compartan sus respuestas con los demás equipos.

1. Formen equipos de siete integrantes y reﬂexionen: ¿Qué

Figura 1.6 Mosquito Aedes, transmisor del virus Zika

Bloque III Reconoces a la cĂŠlula como unidad de la vida

Propósito: Reconocer las características básicas de la célula, su origen, evolución y clasiﬁcación, valorando su importancia como unidad fundamental de los seres vivos. Desempeños al concluir el bloque: % Reconoce a la célula como la unidad fundamental de los seres vivos. % Analiza las características básicas, el origen, la evolución, los procesos y la clasiﬁcación de las células.

Objetos de aprendizaje: % La célula % Teoría celular % Teorías de la evolución celular

% Tipos celulares: % Procariota % Eucariota % Estructura y función de las células procariota y eucariota % Células eucariotas: % Célula vegetal % Célula animal % Procesos celulares Competencias a desarrollar: % Elige las fuentes de información más relevantes para establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. % Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas de sus comportamientos y decisiones. % De manera general o colaborativa, identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. % Utiliza las tecnologías de la información y la comunicación para obtener, registrar y sistematizar información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y/o realizando experimentos pertinentes. % Contrasta los resultados obtenidos en un experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones aportando puntos de vista con apertura y considerando los de otras personas de manera reflexiva. % Define metas y establece mecanismos básicos para la solución de problemas cotidianos. % Trabajando en equipo, resuelve problemas para satisfacer necesidades o demostrar principios científicos relativos a las ciencias biológicas. % Relaciona los niveles de organización química, biológica y física de los sistemas vivos. % Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana, enfrentando las dificultades que se le presentan siendo consciente de sus valores, fortalezas y debilidades. % Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Tiempo asignado al bloque: 16 horas

¿Qué tanto sabes? 1. Dibuja una célula y señala sus componentes principales.

2. ¿Qué tipo de célula dibujaste, una eucariota o una procariota?

3. Ordena, de acuerdo con los niveles de organización los siguientes elementos: molécula, átomo, tejido, célula.

4. Anota tres ejemplos de organismos que tengan células.

5. ¿Conoces la teoría celular? Explica sus principios.

6. Señala la diferencia entre célula procarionte y eucarionte.

7. Describe dos tipos de microscopios con los que podemos observar las células.

8. Explica brevemente alguna teoría del origen de la vida.

9. Escribe tu punto de vista acerca del origen de la vida.

10. Expresa tu opinión acerca de la importancia del trabajo de los cientíﬁcos que han hecho descubrimientos acerca

de las células.

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida

Mapa conceptual Célula

se explica por la

se han formulado

es de diferentes

está formada por diversos

teoría celular

teorías sobre su origen

tipos

componentes

maneja postulados

entre ellas

• estructura • función • origen

• procariota • eucariota

• evolución química • panspermia • hidrotermal

• núcleo • citoplasma • organelos citoplasmáticos • membranas y derivados

Introducción La célula es una maravilla que ha atrapado la atención de muchos investigadores a lo largo de la historia. Parece increíble pensar que esa estructura diminuta tenga tanta importancia para ser estudiada; sin embargo, gracias a los avances en la investigación de la célula se han hecho descubrimientos de gran trascendencia que nos han permitido comprender el verdadero origen de muchas enfermedades, los procesos de reproducción y la forma en que se produce el envejecimiento, entre otros eventos. En este bloque conoceremos la célula, los pasos que llevaron a descubrir su función en los seres vivos y las teorías que se han desarrollado acerca del origen de la vida y de las primeras células. Luego, nos adentraremos en el conocimiento de los organelos que las forman y la relación de cada uno de ellos con los procesos que ocurren en todo el organismo.

Problema A continuación se plantea un problema. Los conocimientos que adquieras en el transcurso del bloque te darán los elementos para resolverlo. Intenta hacerlo ahora y compara tus respuestas con las que coloques al terminar de estudiar este bloque.

Un atleta en acción Joaquín es un estudiante de bachillerato que ama el fútbol. Desde pequeño lo ha practicado y ahora participa en el equipo representativo de su escuela. Justo el día de la gran ﬁnal, el partido más

importante de la temporada, participó en el primer tiempo, pero luego comenzó a sentir calambres y tenía la pierna paralizada. Su entrenador le dio masaje y así pudo mejorar su movilidad. Volvió

Biología I

al partido; sin embargo, sufrió un choque que le produjo una herida abierta en el brazo y lo dejó aturdido por el golpe. ¡Todo estaba saliendo mal! Se sentía desesperado porque tenía muchas esperanzas de ser el héroe del partido y sin embargo había salido en camilla de la cancha, con dolor en todo el

cuerpo, temiendo haberse fracturado algún hueso o desarrollar una infección en la herida. Finalmente su equipo ganó, y a pesar de no haber podido participar como él lo deseaba, sus amigos decidieron darle el trofeo que habían obtenido, considerando su esfuerzo y su entrega al equipo.

Resuelve en tu cuaderno las siguientes preguntas que se relacionan con esta historia. 1. 2. 3. 4. 5.

Los calambres actúan sobre las células musculares. ¿Qué forma tiene este tipo de células? ¿Qué organelo proporciona energía a las células musculares para que puedan moverse? ¿Qué células se alteran cuando te encuentras aturdido o desmayado? ¿Los huesos tienen células? Explica tu respuesta. Las bacterias pueden entrar a una herida causando una infección. ¿Qué diferencias existen entre las células humanas y las bacterias? 6. Las células de la sangre destruyen las bacterias y otros microorganismos que puedan introducirse al cuerpo. ¿Qué tipos de células hay en la sangre? 7. ¿Cómo surgieron las células? ¿Han existido siempre?

Objeto de aprendizaje

La célula, teoría celular

Actividad de apertura ¿Cómo son las células del cuerpo humano? 1. Organícense en equipos, lleven a la clase imágenes de internet o fotocopias de libros donde se muestre cómo son las células humanas: musculares, sanguíneas, óseas, epiteliales, óvulos, espermatozoides y neuronas, entre otras que encuentren. 2. Con las imágenes que llevaron elaboren un collage y explíquenlo a su profesor(a). Utilicen sus trabajos para ambientar su salón de clases en el transcurso de este bloque.

Como has podido observar al realizar la actividad anterior, nuestro cuerpo está formado por diversos tipos de células: sanguíneas, musculares, nerviosas, reproductoras, etc. Todo el organismo humano es un enorme conjunto de células que trabajan en armonía para mantenernos con vida. Nuestra vida misma se origina a partir de una célula llamada cigoto, resultado de la unión de un óvulo y un espermatozoide. Ésta se multiplica y las células resultantes se van diferenciando para dar lugar a cada uno de nuestros tejidos. Así, todas nuestras células son parecidas, por ser nuestras, pero cada una obtiene la forma que le corresponde para cumplir su función dentro de nuestro organismo.

No sólo los seres humanos estamos formados por células; todos los seres vivos lo están, sean árboles, hongos, insectos, estrellas de mar o microorganismos. Lo más interesante es que una célula desarrolla todas las funciones de un ser vivo: respirar, crecer, reproducirse y morir, así que si entendemos el funcionamiento de una célula, comprenderemos cómo funciona todo nuestro organismo. En la actualidad se sabe mucho acerca de las células, de sus formas, de su fisiología e importancia; sin embargo, cabe mencionar que no siempre ha sido así. En el pasado, cuando se descubrieron, la gente las consideraba una mera curiosidad de la naturaleza y nadie sospechaba que las plantas, los hongos o los seres humanos estuviesen formados por ellas o que tuvieran alguna función de interés Figura 3.1 Todos los seres vivos (plantas, animales, hongos, protistas y que analizar. El conocimiento acerca de las células ini- bacterias) estamos formados por células. ció en la época de Antón van Leeuwenhoek (1632-1723), un tallador de lentes holandés que construyó su propio microscopio. Se encerraba en su taller durante horas y observaba todo lo imaginable e inimaginable: agua sucia, cabellos, esperma, sangre, insectos y pestañas, entre otras cosas. Así, accedió por primera vez a un mundo hasta entonces desconocido y observó gran cantidad de células de diversos colores y formas. Registró todas sus observaciones en cuadernillos que después entregó a los miembros de la Royal Society de Londres quienes, si bien al principio no confiaban mucho en sus descubrimientos, posteriormente, al comprobar su importancia, lo animaron a seguir adelante con sus investigaciones y lo nombraron miembro honorario en 1680. Cabe mencionar, sin embargo, que no fue Leeuwenhoek quien dio su nombre a la célula, ya que unos años antes, en 1665, Robert Hooke, al realizar finos cortes de

Lente Soporte del material biológico

Material biológico

Placa de metal

Tornillos de regulación

Figura 3.2 El microscopio de Antón van Leewenhoek era muy sencillo; sin embargo, con él tuvo acceso a un mundo nuevo de microorganismos y células.

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida

GLOSARIO

Biología I

Protoplasma: es todo el material contenido por la membrana celular, es decir núcleo, citoplasma y los organelos embebidos en él.

corcho y observar las pequeñas celdillas que lo formaban, utilizó por primera vez este término para referirse a ellas. A partir de los descubrimientos de Leeuwenhoek otros cientíﬁcos hicieron observaciones y descubrimientos relacionados con las células. Por ejemplo, Marcello Malpighi (1628-1694), en 1691, observó los vasos capilares y los tejidos formados por células. La información que a través de los años se acumuló acerca de las células comenzó a integrarse en el siglo xix, unos doscientos años después de su descubrimiento. En 1831, Robert Brown (1773-1858), estudiando las hojas de las orquídeas, descubrió que sus células tenían una mancha oscura en el interior; la nombró núcleo, ya que intuía que era la parte más importante. Por otro lado, en 1835, Félix Dujardín (1801-1860) observó en los organismos unicelulares una sustancia gelatinosa que les permitía desplazarse y la llamó sarcoda. Esta sustancia recibiría más adelante el nombre de protoplasma. Este avance fue muy importante ya que antes se pensaba que las células estaban huecas. Sin embargo, al demostrarse la existencia del protoplasma se hizo claro que las células tenían una estructura más compleja de lo que se pensaba. Las aportaciones más importantes referentes a las células se deben al botánico Matías Jacob Schleiden (1804-1881) y al zoólogo Theodor Schwann (1810-1882). Ambos trabajaban con células, pero Schleiden estudiaba las vegetales y Schwann se enfocaba en las animales. Estos dos cientíﬁcos, al conjuntar su trabajo, plantearon la hipótesis de que todos los seres vivos, plantas y animales, están formados por células y que éstas son la unidad fundamental de la vida. Después de realizar múltiples observaciones su hipótesis se convirtió en la teoría celular, que Schwann publicó en 1839. Los principios fundamentales de esta teoría son: 1. Todo organismo está formado por una o más células; es decir, que la célula es la

unidad anatómica de los seres vivos (unidad de estructura). 2. La célula es la unidad ﬁsiológica de los seres vivos; esto signiﬁca que es la unidad

Técnicas de tinción: métodos para teñir una sustancia microscópica y así lograr visualizarla

La teoría celular tiene una gran relevancia porque nos demuestra que todos los seres vivos tienen algo en común: están formados por unidades similares en estructura y función. Es por ello que la teoría celular es uno de los pilares de la biología, pues uniﬁca a todos los seres vivos. En la actualidad, los avances de la tecnología y el desarrollo de microscopios cada vez más potentes así como de técnicas de tinción especializadas nos han permitido descubrir los diferentes organelos que hay dentro de la célula, conocer sus funciones, sus alcances y posibilidades, y no dejamos de asombrarnos por las maravillas que hemos encontrado dentro de cada una de estas pequeñas estructuras. © Dikiiy/Shutterstock.com

GLOSARIO

más pequeña que tiene las propiedades de la vida (unidad de función). Posteriormente, en 1858, Rudolf Virchow (1821-1902) la complementó con el tercer principio fundamental: 3. Toda célula proviene de otra célula preexistente. Este postulado se relaciona con los procesos de reproducción (unidad de origen).

Figura 3.3 En la actualidad existen diferentes tipos de microscopios, algunos muestran imágenes fluorescentes, otros utilizan rayos láser y otros más un haz de electrones que aumenta el tamaño de la imagen hasta un millón de veces. Estos instrumentos han facilitado el estudio de la célula.

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida

Actividad de aprendizaje 1 Elabora una línea del tiempo en la que ubiques los acontecimientos relacionados con el descubrimiento de la célula y el desarrollo de la teoría celular. Busca información para complementar la que encuentras en este texto e ilustra tu trabajo. Entrégalo por escrito a tu profesor(a).

Objeto de aprendizaje

Teorías de la evolución celular

Actividad de apertura 1. En tu cuaderno redacta un ensayo con tus propias reﬂexiones acerca de cómo surgió la vida. 2. Prepara un caldo de pollo o de res y déjalo destapado en un lugar tibio durante tres días. Observa si se pone

turbio y de ser posible extrae una gota y obsérvala en el microscopio. 3. En tu cuaderno anota tus observaciones y explica el posible origen de los microorganismos que encuentres.

Uno de los postulados de la teoría celular que hemos revisado en el tema anterior nos señala que “toda célula proviene de otra célula preexistente”. Esto significa que la vida procede de la vida. Sin embargo, ante esta afirmación surge la pregunta: ¿y de dónde surgió la primera célula? ¿Cuál fue el origen de la vida? Estas preguntas han existido en la mente del ser humano desde mucho tiempo atrás. A lo largo de la historia se han propuesto diversas explicaciones acerca de cómo se formaron los primeros seres vivos. En la época de los griegos, por ejemplo, se pensaba que alguna “fuerza vital” animaba la materia inerte, dando la vida a las ranas o lombrices a partir del lodo; así nació la teoría de la generación espontánea, que persistió por cerca de dos mil años. En la época en que se inventó el microscopio aún había partidarios de esta teoría y hubo grandes polémicas acerca de si un caldo nutritivo podía transformarse y generar microorganismos por sí mismo o si se contaminaba con microorganismos que provenían del aire. Todas estas discusiones quedaron resueltas cuando Louis Pasteur (1822-1895), en 1862, demostró con su matraz cuello de cisne que la vida sólo proviene de la vida y que un caldo nutritivo no desarrolla microorganismos a menos que éstos lleguen con el aire y se reproduzcan en él. Así, la teoría de la generación espontánea, según la cual la fruta, el lodo, la basura o los caldos podían generar por sí solos nueva vida, quedó descartada. A partir de entonces, a finales del siglo xix, inició el desarrollo de las teorías actuales que explican el origen de la vida.

Biología I

El matraz con caldo se hierve

El caldo se mantiene libre de microorganismos, que quedan atrapados en el cuello del matraz

Se rompe el cuello del matraz

Los microorganismos terminan por contaminar el caldo

Figura 3.4 El matraz de cuello de cisne permitía el paso del aire hacia el caldo de cultivo, con lo cual se demostró que no era la “fuerza vital” que supuestamente residía en éste lo que desarrollaba la vida. Lo que en realidad ocurría, era que los microorganismos y sus esporas quedaban atrapados en el cuello del matraz, por lo que nunca llegaban a desarrollarse en el caldo. Lo último se demostró al romperse el cuello del matraz, ya que los microorganismos llegaban al caldo y se desarrollaban en él.

Teoría de la evolución química

Una de las teorías de mayor impacto para explicar el origen de la vida, ha sido la del bioquímico ruso Alexandr Ivánovich Oparin (1894-1980) quien, en 1924, publicó su libro El origen de la vida. En éste, Oparin desarrolló una hipótesis nueva para resolver este antiguo problema: consistía en señalar que en la Tierra primitiva recién formada se habían producido los primeros compuestos químicos y que al combinarse dieron lugar a un nivel de organización más alto, hasta llegar a la formación de las primeras células vivas. Esta teoría hacía referencia a un proceso llamado evolución molecular, que había iniciado con moléculas simples y luego dio lugar a estructuras cada vez más complejas. Oparin se basaba en el hecho de que existían evidencias que indicaban que la atmósfera primitiva era muy diferente de la actual, ya que carecía de oxígeno libre y en ella abundaban el hidrógeno (H), el metano (CH4), el amoniaco (NH3), el ácido cianhídrico (HCN), vapor de agua (H2O) y otros más. Se trataba entonces de un ambiente reductor, en el que esos compuestos reaccionaron entre sí gracias a fuentes de energía como los rayos ultravioleta provenientes del Sol, que en ese tiempo entraban en grandes cantidades porque no se había formado la capa de ozono (O3) que actualmente nos protege. Además, también había descargas eléctricas producidas por las tormentas, calor provocado por las erupciones volcánicas y gran cantidad de elementos que generaban radioactividad y rayos cósmicos. Todas estas fuentes de energía contribuían a la formación de nuevos compuestos orgánicos y, así, los mares primitivos se fueron inundando de materia orgánica dando lugar, poco tiempo después, a los primeros seres vivos. En la ciencia puede suceder que dos personas, en lugares distintos y por la misma época, obtengan conclusiones similares. Tal es el caso de John B. S. Haldane (1892-1964), un biólogo inglés que cuatro años más tarde, sin conocer los trabajos de Oparin, publicó un artículo titulado “El Figura 3.5 Condiciones de la Tierra primitiva.

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida

origen de la vida”, donde hacía referencia a la misma idea propuesta por Oparin, en este caso llamando sopa primigenia a los mares repletos de materia orgánica, que fue la materia prima para la aparición de las primeras células. La teoría de Oparin fue puesta a prueba por dos químicos, Stanley Miller (19302007) y Harold Urey (1893-1981), quienes reconstruyeron las condiciones de la Tierra primitiva en un matraz al que enviaban descargas eléctricas en un ambiente sin oxígeno. El matraz contenía una mezcla de metano, amoniaco, hidrógeno y vapor de agua. Después de una semana de aplicar descargas eléctricas a esta mezcla se obtuvieron aminoácidos, los componentes de las proteínas. Estos resultados apoyaban la teoría de Oparin. Aunque hay datos recientes de que los gases de la atmósfera primitiva pudieron haber sido diferentes a los utilizados por Miller y Urey, otros cientíﬁcos, con experimentos similares, usando otras fuentes de energía y otros gases, han obtenido una gran variedad de componentes de proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos. Los gases metano, amoniaco e hidrógeno se introducen aquí

Electrodos

NH3 Estos gases simulan la composición de la atmósfera primitiva

CH4

H2O

Con una descarga eléctrica, Miller simula una fuente de energía presente en la Tierra primitiva Refrigerante

Los vapores de la atmósfera se condensan

Agua fría

"Océano"primitivo en ebullición

Bomba de vacío

Fuente de calor

Se obtienen moléculas orgánicas: aminoácidos y otros compuestos disueltos Figura 3.6 Experimento de Miller y Urey.

GLOSARIO

Biología I

Protobiontes: estructuras abióticas que se formaron antes que las células y se consideran sus precursores.

GLOSARIO

Eubiontes: células muy simples que se propone surgieron a partir de los protobiontes

Complementando estos hallazgos, algunos cientíﬁcos obtuvieron moléculas más grandes, como Sidney Fox (1912-1998), que obtuvo cadenas largas de aminoácidos similares a las proteínas al someterlas a altas temperaturas y las llamó proteinoides. El siguiente paso, de acuerdo con esta teoría, es que las biomoléculas formadas al interactuar entre sí dieron origen a gotitas similares a una célula, a las que Oparin llamó “sistemas precelulares”. Para demostrar experimentalmente la formación de estos sistemas precelulares, Oparin mezcló soluciones de proteínas y carbohidratos de alto peso molecular y obtuvo coacervados (estructuras parecidas a pequeñas células). Por su parte, Sidney W. Fox, investigador estadounidense, obtuvo, al calentar mezclas de aminoácidos en una solución salina, el modelo de las microesférulas proteicas, que se ven como esferas limitadas por una membrana simple o doble. Cabe enfatizar que los sistemas precelulares o protobiontes aún no pueden ser considerados seres vivos pues carecen de sus características propias. Fue a través del tiempo que la selección natural pudo haber actuado sobre ellos. Los que eran más estables (es decir, que lograron intercambiar materia y energía con el medio externo) perduraron, y algunos desarrollaron un metabolismo rudimentario que les permitía captar energía para efectuar procesos energéticos como la fotosíntesis y la respiración. De acuerdo con la propuesta de Oparin, durante uno o dos millones de años se perfeccionó este proceso de evolución química hasta que se formaron estructuras capaces de autorregularse y autorreproducirse, las cuales se transformaron en eubiontes o células primitivas. Sin embargo, el problema de la transformación de una precélula en una célula verdadera, sigue siendo materia de investigación y no se tiene la certeza de cómo o en qué ambiente haya podido suceder.

Teoría de la panspermia Previo a la teoría de Oparin, en 1908, el químico Svante August Arrhenius (18591927) propuso que la vida llegó a la Tierra desde el espacio exterior por medio de esporas resistentes al calor y a las radiaciones cósmicas. Esta teoría tuvo como objeción principal el hecho de que no resolvía el problema del origen de la vida porque lo trasladaba a otro sitio del universo, y nos conducía a preguntarnos cómo surgió la vida en el sitio de dónde provenía la espora. Por otra parte, se duda de las posibilidades de que una espora fuera capaz de resistir las altas temperaturas que se generan cuando un meteorito entra a la atmósfera y se incendia. Actualmente se han retomado algunos aspectos de esta teoría, si bien se sigue poniendo en duda la propuesta de que la vida haya llegado como tal a nuestro planeta, en forma de una espora o bacteria extraterrestre: En primer lugar, se ha propuesto la hipótesis de que los compuestos orgánicos de la “sopa primitiva” que dieron lugar a los primeros seres vivos no sólo se formaron en los océanos, sino que también pudieron haber sido el resultado de procesos prebióticos que ocurrieron en la superﬁcie de los cometas, los meteoritos o en el polvo interestelar, y que esas moléculas llegaron a la Tierra en meteoritos que cayeron en su superﬁcie. Esta hipótesis se basa en el análisis de los meteoritos; por ejemplo, uno que cayó en 1864 en Origueil, cerca de Mountauban, Francia, el cual fue analizado en 1963 por I. R. Kaplan. El análisis indicó la presencia de seis tipos de aminoácidos diferentes y dos de las bases nitrogenadas del ADN. Experimentos posteriores demostraron que el meteorito no estaba contaminado por material terrestre. Después de este descubrimiento, algunos astrobiólogos

y astroquímicos se han dedicado a buscar materia orgánica en otras partes del espacio exterior y han encontrado que en las nubes de polvo interestelar y en los cometas también hay concentraciones de materia orgánica, principalmente aminoácidos y bases nitrogenadas. Estos hallazgos se han fundamentado en el análisis de la luz proveniente de estrellas lejanas. De esta manera, se propone que los materiales que formaron la “sopa primitiva” pudieron tener origen tanto terrestre como extraplanetario, a través de la contribución de la materia orgánica extraterrestre. Por otra parte, el análisis del meteorito marciano conocido como ALH84001, aparentemente ha sugeri- Figura 3.7 De acuerdo con la teoría de la panspermia, la vida, o los do la existencia de fósiles diminutos, de 4 500 millones componentes de los seres vivos, llegaron del espacio exterior. de años. Si son microfósiles o no, sigue en discusión, ya que se ha objetado que su tamaño es inverosímilmente pequeño (del orden del millonésimo de milímetro) y resultan 10 veces menores que las bacterias más diminutas que la ciencia conoce. Además, se plantea la posibilidad de que se haya contaminado con materia orgánica terrestre. Sin embargo, estos resultados han devuelto interés a la teoría de la panspermia y se ha iniciado la búsqueda de vida microbiana en los meteoritos, aquí en la Tierra y en las misiones espaciales que han incursionado en diversos planetas y satélites fuera de ella, aunque cabe mencionar que hasta la fecha no se han encontrado indicios, comprobados cientíﬁcamente, de vida extraterrestre. A pesar de que se han enviado numerosas sondas espaciales en busca de vida fuera de nuestro planeta, hasta ahora ninguna la ha encontrado.

Hipótesis hidrotermal Se ha planteado también la posibilidad de que las primeras moléculas orgánicas y los primeros seres vivos se hayan formado en las chimeneas hidrotermales que se encuentran en el fondo de los océanos. Esta hipótesis se basa en los hallazgos de bacterias que viven cerca de chimeneas volcánicas submarinas donde hay temperaturas de hasta 650°C. Estos microorganismos se nutren de metano y sulfuro de hidrógeno y presentan un metabolismo primitivo y especial; probablemente se originaron en esos ambientes extremos. En realidad la hipótesis hidrotermal se basa en la teoría de Oparin, y diﬁere de ésta en cuanto a las fuentes de energía para la formación de los primeros componentes de las células. Mientras que Oparin señala a las radiaciones ultravioleta (UV) y las descargas eléctricas como principales fuentes de energía, la hipótesis hidrotermal se basa en la energía geotérmica presente en los manantiales termales submarinos. Algunos aspectos que apoyan esta hipótesis señalan que las altas presiones que hay en el fondo del mar favorecen la formación de compuestos químicos; por otra parte, dentro de las chimeneas podrían concentrarse las biomoléculas que se fueran formando y así no se encontrarían dispersas en la inmensidad del mar. También, se señala que la profundidad de los mares proporcionaba protección contra las condiciones adversas de esa etapa, como el exceso de radiaciones ultravioleta que podrían haber destruido los primeros intentos de célula.

Bloque III Reconoces a la célula como unidad de la vida

Biología I

Figura 3.8 Las chimeneas hidrotermales pudieron haber favorecido el origen de las primeras formas de vida.

En la actualidad, un buen número de cientíﬁcos busca más evidencias a favor de la hipótesis hidrotermal, que ha tenido cada vez mayor aceptación. Se ha propuesto la hipótesis del mundo de hierro-azufre, señalando que en las grietas del fondo marino, sulfuros de hierro y níquel, pudieron haber favorecido la formación de moléculas biológicas precursoras de la vida. En especial se están buscando organismos muy antiguos, que vivan en estos ambientes, para darnos una idea de cómo pudieron haber sido las primeras células vivas. Se piensa que las chimeneas hidrotermales posiblemente favorecieron el origen de las primeras formas de vida.

Mundo del ARN Otra de las contribuciones actuales sobre las teorías del origen de la vida es la idea de que la molécula de ARN formó a los primeros genes, ya que es la única capaz de desempeñar tres tareas necesarias para la vida: duplicarse a sí misma, contener la información genética y llevar a cabo la síntesis de proteínas. Además, la existencia de virus con genoma de ARN (como el virus del SIDA) nos habla también de la posibilidad de que existieran organismos con esta característica. Se habla entonces del “mundo del ARN”, que fue previo a la aparición de la molécula del ADN que ahora todos identiﬁcamos como la molécula de la herencia. Se piensa que el salto evolutivo posterior hacia la aparición de los genomas codiﬁcados por ADN pudo deberse a que esta última molécula es más estable que el ARN, y por lo mismo es más fácil de mantener en buen estado. Así, podemos ver que con el tiempo los organismos se han vuelto cada vez más complejos.

Actividad de aprendizaje 2 1. Reúnanse en equipos y elaboren un mapa mental ilustrado para explicar cada una de las teorías del origen de

la vida que aquí se mencionan. 2. Participen de manera activa en un debate en el que se analice la validez de las diferentes teorías sobre el

origen de la vida. Puede asignarse a cada equipo la defensa de una teoría.

Transferencia para la vida Realiza una investigación documental en fuentes conﬁables acerca de los siguientes aspectos: 1. ¿Qué estudia la exobiología? 2. ¿Qué sondas espaciales se han enviado recientemente al espacio y a qué lugares del sistema solar han llegado? Elabora un informe escrito de tu investigación y coméntalo en clase.

www.cengage.com.mx

SOLUCIONES PARA LA INVESTIGACIÓN Y LA BIBLIOTECA CIENCIAS EINGENIERÍA

MULTIDISCIPLINARIA

Science In Context

Student Resources In Context

Portal de Conocimiento

Portal de Conocimiento DESCRIPCIÓN Este portal reúne contenido multimedia, actual y relevante, centrado en conceptos cientíﬁcos clave tales como: la ética en la ciencia; ingeniería cuántica, mecánica y genética; el monitoreo del medio ambiente; y más. El contenido de este portal enriquece y complementa los libros de texto y lleva eventos actuales y de gran interés hasta el aula. Algunas de las referencias que incluye son: Gale Encyclopedia of Science World of Genetics History of Modern Science and Mathematics Macmillan Science Library

DESCRIPCIÓN Este atractivo portal multidisciplinario provee información sobre todas las materias básicas: desde ciencia hasta historia o literatura. La información aquí contenida es de gran utilidad para la realización de trabajos, investigaciones y proyectos. Además de fomentar el desarrollo de la competencia investigativa, Student Resources In Context refuerza en los estudiantes habilidades como el pensamiento crítico, la solución de problemas, la comunicación, la colaboración, la creatividad y la innovación.

TIPOS DE CONTENIDO Publicaciones académicas, revistas, noticias, podcasts, imágenes, videos y ligas a sitios web.

Accesa con esta dirección a tus soluciones de investigación: http://www.cengage.com.mx/portaldeconocimiento

re t s e m er se

Terc

La biología es una ciencia fascinante que nos muestra las maravillas de la naturaleza y describe los procesos que mantienen la vida y las relaciones entre todos los seres vivos. Nos permite adentrarnos tanto en el mundo de las células y las moléculas como en el de las plantas, los animales y los ecosistemas en su totalidad. La enseñanza de la biología ha evolucionado con el paso del tiempo. En el contexto actual es preciso tener en cuenta que lo importante no es el aprendizaje memorístico de nombres o procesos, sino la comprensión de los fenómenos biológicos que impactan la vida diaria para aprender a vivir mejor, cuidar la salud y preservar el ambiente. Lo que se aprende en el aula debe ayudar al estudiante para que pueda enfrentar los problemas del día a día y resolverlos movilizando los conocimientos, las habilidades y las actitudes que ha desarrollado, y esto puede conseguirse a través de la enseñanza basada en competencias. Biología I con enfoque por competencias tiene como objetivo presentar esta ciencia de una manera sencilla y accesible, proporcionando información completa, pertinente y actualizada de cada tema señalado en el programa de la Dirección General del Bachillerato (DGB). Se incluyen actividades, problemas y situaciones en las que los jóvenes pueden desarrollar las competencias, poniendo en práctica sus conocimientos de manera inmediata en la clase, para que sean evaluados por él mismo, sus compañeros y el profesor. Asimismo, se muestra la relación de cada uno de los temas con la vida cotidiana por medio de actividades en las que se aplican los saberes adquiridos hacia el contexto de los alumnos. En este sentido se facilita el trabajo del profesor y se promueve el aprendizaje de los estudiantes. Finalmente, cabe decir que el principal propósito de este libro es que los jóvenes descubran que la biología es una ciencia sorprendente, que disfruten al aprenderla y que sientan cada vez más el asombro y el aprecio por el mundo vivo que los rodea, para así contribuir a conservarlo y a mejorarlo. ISBN-13: 978-607-526-206-2 ISBN-10: 607-526-206-7

Visite nuestro sitio en http://latinoamerica.cengage.com

9 786075 262062