¿Cómo funciona
este libro?
Bloque
Páginas de desarrollo
Presenta los contenidos de los capítulos y la secuencia en que aparecen. Muestra los ejes temáticos que organizan el libro según el diseño curricular. A partir de una imagen y texto, se plantean preguntas que indagan sobre los conocimientos previos.
Textos claros y precisos que reproducen los temas específicos del nivel. La presencia de imágenes, ilustraciones y esquemas facilita la comprensión de la lectura.
Copete
Acercamiento a los contenidos profundizados en las páginas.
Guía de estudio Apertura Texto integrador de los contenidos del capítulo e imagen disparadora acompañada de interrogantes que recuperan los saberes previos.
Al finalizar cada doble página, se proponen actividades variadas para afianzar los conocimientos aprendidos.
Experiencia en acción Actividad práctica realizable en el aula o el laboratorio, que permite aplicar los contenidos teóricos.
Palabras clave
Términos esenciales que se desprenden de las páginas de desarrollo.
Ciencia actual
Sección que relaciona las aplicaciones científicas novedosas con los temas abordados.
Glosario
Definiciones específicas y sintéticas respecto de conceptos de la disciplina mencionados en el texto.
Código QR
Links de recursos didácticos que permiten profundizar los temas abarcados.
Revisión final A partir de una situación cotidiana, se plantean actividades de integración para resolver en el libro que refuerzan el aprendizaje.
Índice alfabético Las palabras y expresiones clave se organizan por orden alfabético y número de página para ser encontradas rápidamente.
Índice BLOQUE I
La respuesta al medio
CAPÍTULO 03
8
CAPÍTULO 01
Los seres vivos y su relación con el ambiente ......................................... 10
CAPÍTULO 05
Los estímulos y las respuestas en los animales .........................................40
La percepción y la respuesta a nivel celular............................................. 70
ˇ
Los estímulos ambientales............................41 Estímulos sensoriales. Receptores sensoriales y respuestas
ˇ
Las células y el ambiente ...............................71 Diversidad de estímulos. Diversidad de respuestas
ˇ
Los seres vivos como sistemas ................... 11 Definición de sistema. Seres vivos como sistemas abiertos
ˇ
ˇ
ˇ
La relación entre los seres vivos y el ambiente.........................................................12 Reconocimiento de señales. Respuestas de las plantas. Respuestas de los animales
Los estímulos lumínicos................................. 42 Sentido de la vista en vertebrados. Sentido de la vista en invertebrados. Respuestas
ˇ
ˇ
ˇ ˇ ˇ
La regulación en los seres vivos .................14 Homeostasis. Osmorregulación
Los estímulos químicos ................................. 44 Quimiorrecepción. Sentido del gusto en vertebrados. Sentido del gusto en invertebrados
La membrana plasmática ..............................72 Estructura de la membrana. Función de la membrana. Modelo de mosaico fluido. Tamaño y forma de la célula Los mecanismos de transporte ...................74 Transporte a través de la membrana. Transporte de nutrientes
ˇ
Los estímulos olfativos................................... 46 Sentido del olfato en vertebrados. Sentido del olfato en invertebrados. Respuestas: feromonas
ˇ
La captación de señales ..................................76 Complejo receptor-señal. Tipos de receptores. Transducción de señales. Tipos de respuestas
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El modelo estímuloprocesamiento-respuesta............................. 20 Vínculo entre seres vivos y ambiente. Aplicaciones del modelo
Los estímulos mecánicos...............................48 Sistema somatosensorial en vertebrados. Sistema somatosensorial en invertebrados. Respuestas
ˇ
Las respuestas, los genes y la evolución ........................................................22 Relación entre respuesta y genes. Respuestas y evolución
ˇ
Los estímulos sonoros .................................... 50 Sentido auditivo en vertebrados. Sentido auditivo en invertebrados. Respuestas
La comunicación celular .................................78 Comunicación entre células animales. Comunicación entre células vegetales. Importancia de la respuesta y de la comunicación celular
ˇ
Otros estímulos .................................................. 52 Nocicepción y termorrecepción. Sentido de equilibrio. Electrorrecepción. Magnetorrecepción
La regulación de la temperatura ................16 Termorregulación El control en los seres vivos..........................18 Control en los animales. Control en las plantas
• Experiencia en acción
Los estímulos y las respuestas.................... 24
• Revisión final........................................................ 25 CAPÍTULO 02
Los estímulos y las respuestas en las plantas ............................................. 26
ˇ
Los estímulos ambientales............................27 Diversidad de estímulos. Diversidad de receptores. Variedad de respuestas
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Los estímulos lumínicos................................. 28 Luz como estímulo. Fotorreceptores: estructura y variedad. Tipos de respuestas
La regulación y la integración de las funciones
• Revisión final........................................................ 55 CAPÍTULO 04
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ˇ ˇ
El aprendizaje ......................................................60 Tipos de aprendizaje
ˇ
La gravedad como estímulo ......................... 32 Detección de la gravedad. Respuestas: geotropismo y geonastia
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Los estímulos mecánicos............................... 34 Variedad de estímulos mecánicos. Receptores: estructura y funcionamiento. Respuestas
ˇ ˇ
ˇ
Las respuestas frente a los patógenos ....36 Agentes patógenos en las plantas. Tipos de defensa. Comunicación entre plantas
82
CAPÍTULO 06
El comportamiento animal .......... 56
Los estímulos térmicos, hídricos y químicos ........................................... 30 Temperatura como estímulo. Respuesta a cambios de temperatura: termonastia. Agua como estímulo. Hidrotropismo e hidronastia. Sustancias químicas como estímulo
• Revisión final........................................................ 39
BLOQUE II
La percepción ....................................................... 54
ˇ ˇ
•
La circulación del agua ....................................80
• Revisión final.........................................................81
• Experiencia en acción
La etología ..............................................................57 Estudio del comportamiento
Experiencia en acción La luz como estímulo........................................ 38
• Experiencia en acción
El sistema nervioso de los animales .........................................84
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La recepción y la respuesta ......................... 85 Sistema nervioso: estructura general y función
ˇ
La comunicación animal................................. 62 Comunicación visual. Comunicación táctil. Comunicación sonora. Comunicación química
Las células del sistema nervioso ..............86 Neuronas: estructura, tipos y función. Células gliales
ˇ
Las sociedades animales ............................... 64 Animales sociales
El impulso nervioso ..........................................88 Potencial de reposo de la célula. Generación del impulso nervioso. Propagación del impulso nervioso
ˇ
La sinapsis .............................................................90 Sinapsis eléctricas y químicas. Neurotransmisores. Placa neuromuscular
ˇ
El control nervioso en los invertebrados ........................................ 92 Generalidades en invertebrados
ˇ
El control nervioso en los vertebrados ......94 Generalidades en vertebrados. Comparación del grado de cefalización de vertebrados
Las conductas innatas y adquiridas ........ 58 Instinto y territorialidad. Comportamientos adquiridos
La genética del comportamiento .............. 66 Genética y evolución de la conducta. Cooperación entre individuos emparentados. Cooperación entre individuos no emparentados
• Experiencia en acción
El test de Stroop ..................................................68
• Revisión final........................................................ 69
• Experiencia en acción
La disección del cerebro de vaca ............... 96
• Revisión final.........................................................97
BLOQUE III
CAPÍTULO 07
Del ADN al organismo
El sistema nervioso humano ......98
ˇ
La organización del sistema nervioso humano..................... 99 Partes y organización
ˇ
El sistema nervioso central ........................100 Encéfalo. Función del sistema nervioso humano. Médula espinal
ˇ
Las funciones corticales .............................. 102 Corteza cerebral: estructura y funciones. Aprendizaje y memoria
ˇ ˇ ˇ
El sistema nervioso periférico ..................104 Generalidades
ˇ
Las enfermedades del sistema nervioso ...................................... 110 Enfermedades neurodegenerativas. Efectos de las drogas. Efectos del tabaco y el alcohol
Los órganos de los sentidos ......................106 Receptores sensoriales Las funciones del sistema nervioso ......108 Función sensitiva. Función integradora. Función motora. Evolución del sistema nervioso de los homininos
• Experiencia en acción
El tiempo de respuesta...................................112
• Revisión final.......................................................113
CAPÍTULO 09
Las proteínas ............................................. 132
ˇ ˇ ˇ
Las proteínas en los seres vivos .............. 133 Definición. Aminoácidos
ˇ
Las enzimas ......................................................... 138 Historia del estudio de las enzimas. Función. Características de una enzima. Patologías asociadas a fallas enzimáticas
ˇ
Las enzimas y el metabolismo..................140 Acción de las enzimas. Enzimas hepáticas. Enzimas pancreáticas
El sistema endocrino..........................114
ˇ
El control hormonal .........................................115 Hormonas: mensajeros químicos. Sistema endocrino
ˇ
El sistema endocrino humano ...................116 Clasificación de las hormonas. Receptores hormonales. Mecanismo de acción
ˇ
La regulación endocrina ...............................118 Glándulas. Efectos de las hormonas. Eje hipotálamo-hipofisario
ˇ
El control neuroendocrino .......................... 120 Regulación del sistema endocrino. Rol de la neurohipófisis. Respuesta ante el estrés: integración neuroendocrina
ˇ
Las hormonas y el desarrollo .....................122 Formación de las gónadas. Hormonas en la pubertad. Regulación del ciclo menstrual. Hormonas en el embarazo, el parto y la lactancia
ˇ
El páncreas .......................................................... 124 Regulación de la glucemia. Insulina y glucagón. Diabetes
ˇ
Las hormonas y los seres vivos ............... 126 Hormonas en animales. Hormonas en plantas
• Experiencia en acción
Los niveles hormonales en la adolescencia ........................................... 128
• Revisión final...................................................... 129
La estructura proteica ................................... 134 Clasificación de las proteínas Las propiedades y las funciones proteicas............................. 136 Desnaturalización y renaturalización. Especificidad de especie. Especificidad de función. Capacidad electrolítica. Funciones
• Experiencia en acción
La acción de las enzimas en detergentes de ropa ................................. 142
• Revisión final...................................................... 143 CAPÍTULO 10
CAPÍTULO 08
CAPÍTULO 11
130
La biotecnología ....................................160
ˇ
La biotecnología a través del tiempo ..........................................161 Definición
ˇ
La ingeniería genética ................................... 162 ADN recombinante. Obtención de un organismo modificado genéticamente. Herramientas moleculares de la ingeniería genética
ˇ
Los microorganismos transgénicos ....... 164 Características generales. Biotecnología y salud. Perspectiva futura
ˇ
Las plantas transgénicas ............................. 166 Características generales. Presente y futuro de las plantas modificadas genéticamente. Alimentos transgénicos. Seguridad de los alimentos transgénicos
ˇ
Los animales transgénicos .........................168 Características generales. Aplicaciones. Clonación
• Experiencia en acción
La fermentación del azúcar ......................... 170
• Revisión final.......................................................171
El ADN ............................................................... 144 El material genético........................................ 145 Historia del estudio del ADN
ˇ ˇ ˇ
El genoma............................................................. 146 Estructura del ADN. Genes y genoma
ˇ
Del ARN a la proteína ..................................... 150 Traducción del ARN. Código genético universal
ˇ
Los genes, el ambiente y los cambios .. 152 Genotipo, fenotipo y alelos. Interacción genotipo-ambiente
ˇ
La variabilidad y la evolución .................. 154 Mutaciones génicas y cromosómicas. Mutaciones y evolución
ˇ
Las aplicaciones del estudio del ADN ... 156 Aplicaciones forenses. ADN e identidad
El ADN como punto de partida .................148 Replicación del ADN. Transcripción del ADN
• Experiencia en acción
La extracción del ADN..................................... 158
• Revisión final...................................................... 159
Índice de conceptos ........................................172 Bibliografía ...........................................................174
BLOQUE
I
La respuesta al medio
CAPÍTULO 01
Los seres vivos y su relación con el ambiente Los seres vivos como sistemas
ˇ La relación entre los seres vivos ˇ y el ambiente La regulación en los seres vivos ˇ La regulación de la temperatura ˇ El control en los seres vivos ˇ El modelo estímuloˇ procesamiento-respuesta Las respuestas, los genes ˇ y la evolución CAPÍTULO 02
Los estímulos y las respuestas en las plantas Los estímulos ambientales
ˇ Los estímulos lumínicos ˇ Los estímulos térmicos, ˇ hídricos y químicos La gravedad como estímulo ˇ Los estímulos mecánicos ˇ Las respuestas frente a los ˇ patógenos
CAPÍTULO 03
Los estímulos y las respuestas en los animales Los estímulos ambientales
ˇ Los estímulos lumínicos ˇ Los estímulos químicos ˇ Los estímulos olfativos ˇ Los estímulos mecánicos ˇ Los estímulos sonoros ˇ Otros estímulos ˇ CAPÍTULO 04
El comportamiento animal
ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ
La etología Las conductas innatas y adquiridas El aprendizaje La comunicación animal Las sociedades animales La genética del comportamiento
CAPÍTULO 05
La percepción y la respuesta a nivel celular Las células y el ambiente
8
ˇ La membrana plasmática ˇ Los mecanismos de transporte ˇ La captación de señales ˇ La comunicación celular ˇ
Todos los organismos interaccionan con su entorno. Los seres vivos captan estímulos del ambiente y responden a ellos en consecuencia, muchas veces adecuando su metabolismo y fisiología. Además, las condiciones ambientales variables pueden alterar su comportamiento, pero solo en aquellos individuos que pueden modificar su conducta luego de un aprendizaje. Los organismos realizan sus actividades en condiciones acotadas que determinan una situación de equilibrio. Es por ello que se invierte una importante cantidad de recursos para mantener constantes determinadas variables biológicas. Los individuos detectan los estímulos externos e internos mediante sus sistemas sensoriales y, al procesar la información, generan una respuesta que conserva el equilibrio. Así, se establece la función de relación, la cual permite que el organismo se vincule con el medio, tanto interno como externo, y responda según cada estímulo que recibe. Los estímulos externos brindan información sobre el ambiente, lo que les permite a los seres vivos conseguir alimentos, refugio o parejas reproductoras. Los sistemas sensoriales están compuestos por receptores específicos para cada estímulo, los cuales reciben la señal y la envían a centros de procesamiento. La información es interpretada y se elabora una respuesta que depende del estímulo y de la especie.
1. Los nudibranquios son moluscos marinos que
se caracterizan por tener colores llamativos y variados. Son transparentes cuando nacen y su coloración depende de los pigmentos de los alimentos que ingieren. ¿Cómo creen que es la dieta de estos animales? ¿Todos se alimentarán de la misma forma? 2. Los nudibranquios no tienen depredadores porque son venenosos. ¿Conocen moluscos terrestres? ¿Qué estrategias tendrán para defenderse? 3. ¿Los estímulos internos cambian según el medio? Justifiquen.
9
Capítulo
01
Los seres vivos y su relación con el ambiente
Los seres vivos captan diversos estímulos o señales provenientes del ambiente y generan respuestas que varían según el organismo y la información recibida. En animales, las respuestas pueden incluir mecanismos fisiológicos o comportamientos específicos. Las plantas, aunque no se desplacen, modifican la orientación de su crecimiento en función de los estímulos, y pueden hacerlo en forma lenta e irreversible, o bien rápida y reversible.
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Secuencia de contenidos:
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Los seres vivos como sistemas La relación entre los seres vivos y el ambiente La regulación en los seres vivos La regulación de la temperatura El control en los seres vivos El modelo estímulo-procesamiento -respuesta Las respuestas, los genes y la evolución
En las selvas tropicales viven ranas verdes de ojos rojos. Si bien no se considera una especie en peligro de extinción, el estado actual de su hábitat es preocupante. ¿Qué actividades humanas pueden modificar los ecosistemas? ¿Cuáles serán los nuevos estímulos que debe enfrentar la especie como consecuencia de estos cambios ambientales?
10
• 10 • [BIOLOGÍA 3]
Los seres vivos como sistemas Un sistema es un conjunto de componentes que se relacionan entre sí. Si bien cada componente posee una función particular, el sistema actúa como un todo. Los seres vivos no poseen estructuras aisladas, sino que existen relaciones entre ellas. Estas estructuras incluyen componentes anatómicos y fisiológicos que le permiten al organismo llevar a cabo sus funciones vitales. Veamos…
Sistemas cerrados. Interaccionan con el ambiente por •medio del intercambio de energía, pero no de materia.
Por ejemplo, una taza de café apoyada en una mesa es un sistema cerrado, ya que se enfría con el paso del tiempo pero su materia no se modifica. Sistemas aislados. No intercambian materia ni energía con el exterior. En un termo ideal, el agua permanece a la misma temperatura y su volumen es constante.
•
Definición de sistema
Seres vivos como sistemas abiertos
Un sistema es cualquier parte del universo que se aísla para su estudio. Los límites de los sistemas pueden ser definidos o imaginarios [FIG. 01] y deben establecerse antes de ser analizados.
Todos los sistemas biológicos intercambian materia y energía con el medio ambiente. Dada su estrecha relación con el entorno, los sistemas biológicos se consideran sistemas abiertos. En biología, un sistema es un conjunto ordenado de elementos que interactúan entre sí. Los seres vivos no son partes anatómicas o fisiológicas aisladas, sino que comprenden un conjunto integrado y relacionado entre sí y con el medio ambiente. La subsistencia de los seres vivos depende del intercambio de materia y energía con el entorno. Los animales, por ejemplo, incorporan alimentos de los cuales obtienen los nutrientes necesarios para el funcionamiento de sus células y, además, les permiten adquirir energía. Por otro lado, los seres vivos eliminan desechos, con lo cual establecen un intercambio entre la materia consumida y expulsada [FIG. 03].
[FIG. 01]
Cuando se quiere estudiar una parte específica del mar, el aislamiento del sistema se realiza en forma imaginaria.
Los sistemas se componen de elementos relacionados entre sí. En algunos casos, los sistemas están conformados por un solo componente; en otros, se constituyen de una variedad de distintos elementos, cuyas propiedades difieren. De este modo, los sistemas que se consideran homogéneos poseen las mismas propiedades en cualquier parte del sistema, mientras que los heterogéneos están formados por fases de propiedades diferentes. Si se considera el intercambio que existe entre el sistema y el medio que lo rodea, se distinguen tres tipos de sistemas: Sistemas abiertos. Se caracterizan por intercambiar materia y energía con el medio externo [FIG. 02].
[FIG. 03]
Una célula es un sistema biológico; su ambiente son los fluidos que la bañan y, en el caso de los seres vivos pluricelulares, las células que la rodean.
•
Guía de estudio 1. ¿Por qué se considera que los seres vivos
[FIG. 02]
Una fogata, al ser un sistema abierto, se mantiene encendida gracias al oxígeno del aire y a la liberación del dióxido de carbono y energía en forma de luz y calor.
son sistemas abiertos?
2. ¿Cómo obtienen energía los seres vivos? ¿Todos la adquieren de la misma manera?
3. ¿Qué tipos de intercambios existen entre los organismos pluricelulares y el entorno? ¿Y si el organismo es unicelular?
11
[CAPÍTULO 01] • 11 •
estímulo respuesta Palabras clave: comunicación señal La relación entre los seres vivos y el ambiente Todos los seres vivos se encuentran rodeados de información que puede ser interpretada como señal o no. En caso de que la información se represente como señal, se procesa y se elabora una respuesta, que varía según la especie y el individuo. Veamos…
Reconocimiento de señales Los organismos están sujetos a estímulos o señales provenientes del medio ambiente. Ante la amenaza inminente de un predador (que constituye una señal), muchos animales reaccionan mediante la contracción de los músculos o la dilatación de las pupilas, lo cual les permite estar en estado de alerta [FIG. 04]. Los animales reaccionan al peligro de distintas maneras: algunos se quedan paralizados, esperando que el predador no los vea o los considere muertos; otros, como las ratas, intentan escapar pero luchan si se encuentran acorralados.
[FIG. 04]
Cuando la cebra avista un león acércandose para cazar, se activa su reacción frente al estrés. El escape requiere de un intenso esfuerzo muscular.
Algunos animales, como los camaleones, cambian de color según su condición fisiólogica* relacionada con la temperatura o la hora del día. A su vez, esta estrategia es muy importante para la comunicación, ya que el color cambia cuando el camaleón tiene miedo, está furioso o busca pareja [FIG. 05]. La dermis* de los camaleones presenta distintas capas de células que tienen diferentes pigmentos y regulan el brillo, el dibujo y la tonalidad al modificar la distribución de las sustancias pigmentarias. [FIG. 05]
Los camaleones no modifican su coloración para esconderse en un ambiente. Esto solo puede ocurrir en casos particulares, por ejemplo, frente a predadores.
Existen otros ejemplos sorprendentes: el “pulpo mimo” o “pulpo imitador”, llamado así porque puede imitar instantáneamente a al menos quince animales marinos sin que estén presentes. Aunque todas las especies de pulpos tienen la capacidad de cambiar el color y la textura de su piel, el pulpo mimo es el único capaz de adoptar el comportamiento y la forma de otros animales [FIG. 06]. [FIG. 06]
El pulpo mimo tiene la capacidad de asemejarse a varias especies, entre ellas, la estrella de mar o la serpiente marina.
Si bien en la naturaleza existe una gran cantidad de información, cada organismo recibe y procesa solo una parte de ella. Un estímulo puede ser percibido por algunos seres vivos pero no por otros. Además, algunas señales provienen del interior del organismo, como el hambre, la sed o los síntomas de alguna enfermedad. El procesamiento de la información involucra diferentes estructuras y varía según la especie. En todos los casos, la información recibida por un ser vivo, su procesamiento y la posterior elaboración de la respuesta dependen de su función de relación, que incluye: Estímulo. Información que llega al organismo, como la luz, las vibraciones del suelo, la temperatura y la presencia de sustacias químicas. Receptor. Estructura encargada de recibir los estímulos. Suele asociarse a los órganos de los sentidos. Centro de procesamiento. Recibe y coordina la información captada por los receptores. Luego, los estímulos son procesados y se elabora la respuesta. El cerebro es el principal ejemplo de órgano coordinador. Efectores. Son los órganos o estructuras que ejecutan la respuesta. Los organismos unicelulares están constituidos por una sola célula. Por lo tanto, sus respuestas suelen centrarse en el desplazamiento: se dirigen hacia las sustancias nutritivas o bien se alejan de las tóxicas [FIG. 07].
• • • •
[FIG. 07]
12
Las amebas se alimentan y desplazan por medio de proyecciones citoplasmáticas llamadas pseudópodos.
información
tropismo
comportamiento
nastia
Respuestas de las plantas
Respuestas de los animales
La comunicación ocurre entre individuos de la misma especie y de especies distintas. Además, se relaciona con la reproducción, la protección y la obtención de alimento. Por ejemplo, las plantas con flores se reproducen sexualmente porque atraen a los polinizadores con sus olores, colores y formas. Todas las plantas responden de diversas maneras a las señales del ambiente. Estas respuestas varían según la especie y el tipo de estímulo. Los tabonucos, árboles típicos de Puerto Rico, fusionan sus raíces entre sí y forman un anclaje sólido que les permite soportar los vientos huracanados del Caribe [FIG. 08].
Los animales responden de diversas maneras a los estímulos que captan del ambiente. Si la respuesta involucra movimientos necesarios para escapar o luchar por la supervivencia, se trata de una respuesta motora, en la que participa fundamentalmente el sistema muscular y esquelético. Si la reacción ante el estímulo implica la acción de alguna sustancia proveniente de una glándula secretora, como las lágrimas o la transpiración, se llama respuesta secretora [FIG. 10]. Por otra parte, se produce una respuesta inmune si el organismo está defendiéndose de una sustancia o agente extraño que ha ingresado en su interior; en este caso, actúa el sistema inmune o de defensa. Las respuestas a los estímulos forman parte del comportamiento que los animales llevan a cabo. Actualmente se considera que las características comportamentales de una especie son producto de la selección natural, como las estructuras anatómicas o los mecanismos fisiológicos.
[FIG. 08]
Entre diez y veinte árboles de tabonucos forman la unión de las raíces.
[FIG. 10]
La mayoría de las plantas, terrestres o acuáticas, crecen adheridas a una superficie. No obstante, pueden realizar determinados movimientos aunque no se desplacen como los animales. Así, modifican la dirección de su crecimiento en función de distintos estímulos como la luz o la humedad. Esta respuesta, denominada tropismo, puede ser positiva, si la planta se orienta hacia el estímulo, o negativa, si responde alejándose de este. Los tropismos son respuestas lentas e irreversibles, puesto que implican que una parte de la planta se curve. Se clasifican según el estímulo en tigmotropismo (el estímulo es el contacto físico) [FIG. 09], hidrotropismo (el crecimiento se direcciona según la disponibilidad de agua) y geotropismo (asociado a la fuerza de gravedad). A su vez, las plantas pueden presentar respuestas activas y reversibles conocidas como nastias, que implican movimientos pasajeros por acumulación o eliminación de agua de las células de las partes involucradas.
Los cerdos tienen un sistema ineficaz de regulación de la temperatura corporal, razón por la cual humedecen su piel en el exterior.
fisiología. Estudio de las funciones de las células, órganos u organismos enteros. dermis. Capa interna de células de la piel ubicada debajo de la epidermis, es decir, de la capa celular más externa.
https://goo.gl/s0Xt5c Escaneen el código QR y observen el comportamiento del pulpo mimo.
Guía de estudio [FIG. 09]
Los zarcillos son tallos, hojas o pecíolos especializados que les permiten a las plantas trepadoras sujetarse a una superficie o a otra planta.
1. ¿Los estímulos internos y externos son captados por los mismos receptores? 2. ¿Puede generarse una respuesta biológica en organismos que carecen de centros de procesamiento?
13
[CAPÍTULO 01] • 13 •
Palabras clave:
excreción
riñón
estímulos internos
La regulación en los seres vivos Los estímulos pueden ser externos e internos. Para cada tipo de estímulo, existe un tipo específico de receptor. Los estímulos internos, como la sed o el hambre, llevan a que los animales tengan comportamientos que les permitan abastecerse y saciar estas necesidades. Veamos…
Homeostasis Los estímulos internos le informan al organismo que algo está ocurriendo con su cuerpo. El funcionamiento normal de un ser vivo depende de que las condiciones fisiológicas de su medio interno permanezcan constantes y en valores normales. Esta función se denomina homeostasis y se relaciona con el mantenimiento de la cantidad de agua, la concentración de minerales y de glucosa, y la temperatura, entre otras variables. El medio interno debe permanecer estable dentro de ciertos límites, aunque se produzcan intercambios de materia con el exterior en forma continua. Todos los seres vivos son homeostáticos, ya que pueden mantener las condiciones que permiten el desarrollo normal de sus funciones vitales, independientemente de los cambios que puedan producirse en el ambiente. Muchas de las diversas estructuras y funciones con las que cuentan los seres vivos se relacionan directamente con la capacidad de autorregulación. Esto se sustenta en las “instrucciones” brindadas por el material genético, por lo cual la homeostasis resulta ser una característica biológica conservada entre los individuos a lo largo del tiempo. La información de las condiciones internas de un organismo se transmite continuamente a los centros de procesamiento o integración, donde se generan las respuestas frente a determinados estímulos. El mantenimiento de la homeostasis involucra, de una forma u otra, todos los sistemas de órganos y, por lo tanto, requiere de la coordinación de las actividades de las células que constituyen los tejidos de los órganos. A su vez, la homeostasis es dinámica, ya que puede variar dentro de límites estrechos compatibles con el mantenimiento de los procesos celulares vitales. Por ejemplo, la glucemia es el valor de la concentración de glucosa en sangre, y debe permanecer dentro de un intervalo estrecho. Si la glucemia es demasiado baja, puede provocar mareos o desmayos, y si está demasiado elevada, puede lesionar los vasos sanguíneos y conducir a una pérdida excesiva de agua a través de la orina.
14
• 14 • [BIOLOGÍA 3]
La homeostasis se mantiene mediante varios sistemas de retroalimentación. En este sentido, una condición fisiológica se controla, evalúa y modifica de manera continua. La temperatura corporal, la glucemia o la presión arterial son algunas de las variables que deben ser controladas [FIG. 11]. Los estímulos, internos o externos, generan cambios en estas condiciones controladas.
[FIG. 11]
El esfigmomanómetro o tensiómetro es un instrumento médico empleado para medir indirectamente la presión arterial. Hoy en día viene en formato digital, pero es menos preciso que el analógico.
Homeostasis y enfermedad
Las billones de células que pueden integrar a un ser vivo pluricelular actúan de manera eficiente y coordinada cuando las condiciones del cuerpo permanecen controladas dentro de límites fisiológicos. Cuando algún componente deja de contribuir con el mantenimiento de la homeostasis, puede alterar el equilibrio de todos los procesos corporales. Si este desequilibrio es moderado, se produce una enfermedad o trastorno, pero si es grave, puede llegar a ocasionar la muerte. Un trastorno implica una anomalía en una estructura o función; en cambio, la enfermedad es una condición que se caracteriza por un conjunto de síntomas y signos. Los síntomas son cambios subjetivos en las funciones del cuerpo que no puede detectar el observador, y los signos son cambios objetivos que el médico puede observar y medir [FIG. 12].
[FIG. 12]
El diagnóstico es la identificación de una enfermedad o un trastorno basada en la evaluación de síntomas y signos del paciente.
autorregulación
estomas
nefridio
Osmorregulación Cerca del 70 % del peso del cuerpo de muchos animales corresponde a agua. Dos tercios del agua están contenidos dentro de las células y el tercio restante constituye el líquido extracelular que baña las células. A su vez, el líquido extracelular comprende el líquido intersticial, que rodea a todas las células, y la sangre, que abastece a las células de los productos químicos necesarios y, a la vez, permite que se liberen de sus desechos. Esta eliminación se denomina excreción, y consiste en un proceso muy selectivo de control, análisis, selección y descarte de sustancias. Así, la excreción contribuye a mantener la homeostasis en los organismos. La osmolaridad es una medida de la expresión de la concentración de sales o minerales. La concentración de cualquier sustancia es la relación entre su cantidad absoluta y el volumen de agua en el que esté disuelta. De este modo, la regulación del contenido de agua de los líquidos corporales resulta fundamental para la osmorregulación, es decir, para el control de la osmolaridad. Los animales cuentan con órganos excretores que participan de esta función, aunque solo los vertebrados tienen riñones, encargados de filtrar y reabsorber los minerales [FIG. 13]. Estos órganos forman parte del sistema urinario de los vertebrados.
túbulos de Malpighi
Los nefridios son los órganos excretores de muchos invertebrados y se clasifican en protonefridios, característicos de las planarias, y metanefridios, presentes en moluscos y anélidos. Los insectos y los arácnidos tienen túbulos de Malpighi, estructuras que eliminan sustancias de desecho en la última parte del intestino [FIG. 14].
[FIG. 14]
intestino
túbulos de Malpighi recto
Por otro lado, las plantas también presentan osmorregulación, la cual les permite sobrevivir ante condiciones de sequía o altas concentraciones salinas en los suelos. En estas situaciones, los estomas de las hojas se cierran y así se frena, por un lado, el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono y, por otro, la pérdida de vapor de agua, lo que evita que la planta se deshidrate [FIG. 15].
[FIG. 13]
Un humano adulto tiene entre cinco y seis litros de sangre, que son filtrados por los riñones. Normalmente se procesan 200 litros de sangre y se eliminan dos litros de productos de desecho y agua sobrante.
Ciencia actual
[FIG. 15]
Los estomas son las aberturas microscópicas presentes en las hojas de las plantas superiores.
Fitorremediación La contaminación ambiental causada por metales se extendió a partir del avance de la actividad industrial y de la minería, y además se vio influenciada por la quema de combustibles fósiles y por el incremento de desechos electrónicos. Las especies de plantas nativas que sobreviven en estos suelos contaminados han desarrollado mecanismos fisiológicos que les permiten tolerar los metales e incorporarlos. Una de las estrategias empleadas consiste en la siembra de plantas que absorban los metales y los retengan en los tejidos aéreos. Luego, estos son cosechados, secados e incinerados en condiciones controladas.
Guía de estudio 1. ¿Por qué es importante que las condiciones internas permanezcan dentro de un rango constante? ¿Qué ocurre si estas se alteran? 2. ¿Qué órganos participan de la osmorregulación? ¿Varían según la especie? ¿Qué sucede si un organismo ingiere mucha agua? ¿Cómo será su orina? 3. ¿Cuáles son las estrategias que las plantas llevan a cabo para regular su estado hídrico?
15
[CAPÍTULO 01] • 15 •
Palabras clave:
hipotálamo
termorreceptor
sudoración
La regulación de la temperatura Los seres vivos no se encuentran aislados del medio externo. La temperatura ambiental es un factor clave en el desarrollo normal de sus funciones vitales y, según el organismo, puede o no afectar la temperatura corporal. Los animales son ectotermos, si no regulan su temperatura cuando hay variaciones externas, o endotermos, si conservan la temperatura interna. Veamos…
Termorregulación Los animales tienen dos estrategias para enfrentar los cambios de temperatura ambiental y mantenerse dentro de un rango tolerable para sus funciones vitales. En una de estas estrategias, la temperatura corporal varía en la medida en que cambia la temperatura ambiente: este es el caso de los invertebrados, peces, anfibios y reptiles [FIG. 16]. Históricamente, estos animales se llamaron poiquilotermos (del griego poikilos, que significa ‘cambiante’); sin embargo, varios de estos animales presentan una temperatura corporal constante, debido a que viven en hábitats térmicamente estables, como el fondo de los océanos. Por este motivo, dejó de utilizarse ese término y se considera que estos animales son ectotermos, ya que su temperatura corporal puede aumentar, en la mayoría de los casos, por una fuente externa de calor y, además, no presentan mecanismos compensatorios que regulen la temperatura corporal frente a las variaciones ambientales.
[FIG. 16]
La rana cristal es un anfibio que presenta una piel ventral fina y transparente, a través de la cual se pueden ver sus órganos internos.
Ectotermia
Muchos animales ectotermos habitan en ambientes terrestres o acuáticos, y sobreviven en ambientes fríos; otros organismos, por el contrario, evitan las bajas temperaturas mediante la migración. Como la temperatura corporal de los animales ectotermos varía en función de la temperatura ambiental, los animales terrestres son particularmente sensibles a los climas fríos, ya que en ciertas áreas del planeta pueden hacer hasta -50 °C. En cambio, los organismos acuáticos cuentan con la ventaja de que las temperaturas mínimas del agua rondan los 0 y -6 °C. Por lo tanto, los animales ectotermos también son sensibles a los cambios climáticos por la variación de temperatura ambiental, lo que puede conducir a que se extingan. Muchas especies de animales determinan su sexo genéticamente, pero en otros organismos el ambiente condiciona el sexo del individuo. La temperatura a la cual incuban los huevos suele ser el factor más influyente en la determinación del sexo en peces, anfibios y reptiles. Sin embargo, en condiciones de cambio climático, se produce un desequilibrio en las proporciones de sexos de las poblaciones. Los peces, anfibios y reptiles poseen adaptaciones que les permiten sobrevivir cuando las condiciones del medio no son favorables. Estas características no solo incluyen a los animales actuales, sino que se pueden encontrar rastros en los fósiles de animales extintos. Por ejemplo, el Edaphosaurus fue un dinosaurio herbívoro que vivió hace aproximadamente 300 millones de años y se caracterizaba por presentar espinas que salían de su columna vertebral, que estaban cubiertas de una membrana de piel irrigada por numerosos vasos sanguíneos [FIG. 17]. Se cree que cuando la sangre circulaba por esa estructura, se calentaba y transmitía ese incremento de temperatura al resto del cuerpo. [FIG. 17]
La segunda estrategia de los organismos para enfrentar los cambios de temperatura ambiental consiste en regular y mantener una temperatura corporal relativamente constante. Estos animales se denominan endotermos, y se caracterizan por que su producción interna de calor les permite mantener una temperatura interna diferente de la del ambiente. En esta categoría se encuentran los mamíferos y las aves.
16
• 16 • [BIOLOGÍA 3]
Se cree que las espinas dorsales del Edaphosaurus también le permitía defenderse de los dinosaurios carnívoros.
termogénesis
hibernación Endotermia
La temperatura corporal de los mamíferos y las aves está regulada por el sistema nervioso y el endocrino. El centro regulador de la temperatura es una región del cerebro denominada hipotálamo [FIG. 18]. Esta estructura recibe la información proveniente de los receptores sensibles a la temperatura: los termorreceptores de la piel y del interior del organismo.
[FIG. 18]
Dentro del hipotálamo se encuentra el núcleo supraquiasmático, centro de regulación de los ritmos circadianos, más conocidos como “reloj biológico”.
El hipotálamo dirige varias respuestas que se llevan a cabo para regular la temperatura corporal. Dentro de estas se puede mencionar la vasoconstricción de los vasos sanguíneos, la erección del pelaje, la sudoración y el temblor involuntario denominado termogénesis tiritante. Las aves y los mamíferos tienen la capacidad de generar calor a partir de su propio metabolismo, de modo que pueden mantener su temperatura en rangos estrechos, a pesar de las variaciones de temperatura ambiental. Esta característica fisiológica se llama endotermia y es distintiva de estos vertebrados. Así, los animales endotermos deben establecer un equilibrio entre la cantidad de calor generado internamente y la cantidad de calor que se disipa del organismo hacia el ambiente. Esta disipación del calor puede ocurrir por medio de la sudoración, en la cual se evapora el agua de la superficie corporal; por radiación de calor en forma de ondas electromagnéticas; y por conducción térmica, la cual requiere de un contacto físico con el medio (aire o agua) [FIG. 19].
[FIG. 19]
La conductancia térmica varía según la cantidad de sangre que circula por la piel, y por la presencia o ausencia de plumas o pelos.
tiritante
Si bien los organismos endotermos tienen mecanismos fisiológicos que les permiten mantener la temperatura corporal constante, este equilibrio puede alterarse y ocasionar fiebre como consecuencia de una perturbación en una región del hipotálamo que actúa como un “termostato” corporal [FIG. 20]. En realidad, la fiebre no se debe a un mal funcionamiento del termostato, sino a un reajuste en el valor de referencia debido a la presencia de sustancias que producen fiebre, llamadas pirógenos. Por lo general, al comenzar la fiebre el individuo siente frío y escalofríos. La razón de esto es que la temperatura corporal se está elevando, pero es inferior a la nueva temperatura fijada por el termostato del hipotálamo.
[FIG. 20]
La fiebre puede ser causada por infecciones bacterianas, lesiones cerebrales o golpes de calor.
Por otro lado, algunas especies de organismos endotermos hibernan en épocas de bajas temperaturas, lo que les permite reducir el gasto energético cuando las reservas son escasas. Otros generan respuestas comportamentales como el agrupamiento de crías, con lo cual se reduce la disipación del calor hacia el ambiente. Por el contrario, cuando la temperatura ambiente se acerca a la temperatura corporal o la supera, se produce un ingreso de calor en el organismo que se suma al calor generado por las reacciones metabólicas. La evaporación es el mecanismo más frecuente por el que los mamíferos disipan calor. Los seres humanos y los caballos transpiran por todo el cuerpo, mientras que los perros jadean y los gatos se lamen para mantenerse frescos.
Guía de estudio 1. ¿Qué determina que un animal sea ectotermo
o endotermo?
2. ¿De qué manera los cambios climáticos
pueden afectar a los animales ectotermos?
3. ¿Qué estrategias llevan a cabo los animales endotermos para evitar la pérdida excesiva de calor? ¿Y los ectotermos?
17
[CAPÍTULO 01] • 17 •
Palabras clave:
fitohormona condiciones ambientales regulación
El control en los seres vivos El ambiente habitado por los seres vivos está en permanente cambio, de manera que los organismos perciben continuamente estímulos del medio y, en consecuencia, desencadenan distintas respuestas. Tanto el sistema nervioso como el endocrino detectan estímulos internos y externos, y generan respuestas específicas para cada señal captada. Veamos…
Control en los animales Los animales se relacionan con el medio ambiente y con otros seres vivos. El equilibrio del organismo se mantiene a pesar de todos los cambios que se producen en el medio externo. Las perturbaciones ocasionadas por el entorno reciben el nombre de estímulos, y los organismos generan una serie de respuestas frente a ellos. Los estímulos pueden ser internos, como las sensaciones de hambre, dolor y sueño, o externos, relacionados con la detección de otro ser vivo o con fenómenos físicos como la luz, la temperatura y la humedad. Cada estímulo es captado por un tipo específico de receptor, el cual transmite la información a centros de procesamiento que darán la orden para ejecutar una respuesta. Esta última puede ser positiva o negativa, según si el animal se acerca o aleja del estímulo. En la mayoría de los animales, los sistemas nervioso y endocrino son los encargados de recibir la información, procesarla y generar una respuesta coordinada. SISTEMA NERVIOSO
SISTEMA ENDOCRINO
Envía mensajes por medio de nervios.
Envía mensajes por medio de la sangre.
Los mensajes son impulsos nerviosos.
Los mensajes son hormonas (mensajeros químicos).
La transmisión de los mensajes es rápida (puede demorar unas décimas de segundo).
La transmisión de los mensajes es lenta (puede demorar horas o minutos).
Los efectos son muy breves.
Los efectos son duraderos.
El sistema endocrino difiere en varios aspectos del nervioso, aunque ambos regulan y controlan las funciones del organismo en simultáneo.
18
• 18 • [BIOLOGÍA 3]
Sistema nervioso
Los animales generan respuestas simultáneas frente a varios estímulos a través de movimientos o actividades coordinadas por el sistema nervioso, el cual recibe la información, la procesa y desencadena una respuesta. Este sistema se compone de células nerviosas denominadas neuronas, encargadas de recibir el estímulo y trasmitir la señal a las estructuras que procesan la información, que difieren entre los distintos grupos de animales. Algunos invertebrados, como las medusas, tienen neuronas que se organizan de manera tal que constituyen una red nerviosa difusa, la cual no llega a conformar un órgano. Las lombrices de tierra, las planarias, los moluscos y los artrópodos presentan uno o dos cordones nerviosos conectados entre sí por una acumulación de neuronas que forman los ganglios [FIG. 21]. En los vertebrados, el sistema nervioso se divide en sistema nervioso central y sistema nervioso periférico. Mientras que una región es la encargada de recibir la información y elaborar una respuesta, la otra conforma una red destinada a transmitir los estímulos y las respuestas.
[FIG. 21]
En la mayoría de estos animales, los ganglios se encuentran en la cabeza y funcionan de manera análoga a un cerebro.
Sistema endocrino
El sistema endocrino regula y coordina las actividades de las distintas partes del cuerpo con el sistema nervioso. Está constituido por glándulas endocrinas productoras de hormonas, las cuales funcionan como mensajeros químicos ya que se distribuyen por todo el organismo a través de la sangre, aunque actúan específicamente sobre determinados órganos. Las hormonas regulan todas las funciones vitales como el desarrollo [FIG. 22], el crecimiento y la reproducción. Además, se encuentran presentes en invertebrados y vertebrados.
[FIG. 22]
La metamorfosis de las mariposas es un proceso controlado por el sistema endocrino.
hormona
neurona
red difusa
Control en las plantas Para las plantas, el ambiente incluye agua, nutrientes, luz, temperatura, gravedad, relaciones con otros seres vivos y contacto con objetos. Muchas de las actividades de las plantas, como el crecimiento y la reproducción, están sintonizadas con las estaciones del año. Asimismo, las plantas no solo detectan la estación en la que se encuentran, sino también la hora del día. A diferencia de los animales, las plantas no tienen un sistema nervioso; sin embargo, producen hormonas que participan del crecimiento y de las actividades metabólicas como la maduración de los frutos. Las hormonas vegetales, también llamadas fitohormonas, actúan como reguladores químicos porque excitan e inhiben diferentes funciones. Las sustancias que participan en la regulación del crecimiento de las plantas actúan de manera jerárquica, coordinada y conjunta.
cordón
nervioso
Existen cinco tipos principales de hormonas vegetales: las auxinas, las citocininas, el etileno, el ácido abscísico y las giberelinas [FIG. 23].
https://goo.gl/umIwgI Escaneen el código QR para ver la metamorfosis de una mariposa.
Guía de estudio 1. ¿Cómo actúa el sistema nervioso en los animales invertebrados? ¿Qué diferencias hay con respecto al de los vertebrados? 2. ¿Las fitohormonas son liberadas a partir de glándulas? Justifiquen su respuesta.
[FIG. 23] Fitohormonas Auxina. Estimula el alargamiento celular, lo que conduce al crecimiento de tallos y raíces. Interviene en el fototropismo y el geotropismo. Además, estimula el desarrollo de los frutos y la formación de raíces adventicias o secundarias.
Citocinina. Participa en el crecimiento de los nuevos tallos de la planta, llamados vástagos, y está involucrada en el desarrollo de los frutos.
Etileno. Se encarga de la maduración del fruto y de la caída de las hojas y las flores.
Ácido abscísico. Estimula el cierre de los estomas de las hojas.
Giberelina. Está involucrada en el alargamiento del vástago. Interrumpe la dormición de las plantas y estimula la floración.
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Palabras clave:
modelo adaptación selección natural efector
El modelo estímulo-procesamiento-respuesta Los seres vivos detectan estímulos del ambiente, los procesan y generan una respuesta. La función de relación de los organismos se representa a partir del modelo estímulo-procesamiento-respuesta, que es un patrón característico de los organismos pero que varía entre las especies. Veamos…
Vínculo entre seres vivos y ambiente Los modelos son representaciones o aproximaciones de objetos o fenómenos de la realidad. Los científicos identifican regularidades o patrones que existen en la naturaleza y buscan modelos que les permitan explicar sus objetos de estudio. A menudo, estos modelos científicos son abstractos o conceptuales, y pueden incluir símbolos, gráficos, fórmulas químicas y matemáticas. Los modelos atómicos, por ejemplo, son distintas visiones e hipótesis que se tuvieron respecto de la estructura del átomo. A medida que se recolectan pruebas, las ideas acerca de los fenómenos se vuelven más robustas y se aproximan a describir la realidad. Las funciones de relación y control en los seres vivos dependen de los múltiples estímulos del ambiente y de las variadas respuestas que ejercen las especies. A pesar de esta diversidad, es posible representar esta función bajo el modelo estímulo-procesamiento-respuesta. Este modelo es un patrón que describe la función de relación de los seres vivos, la cual se lleva a cabo mediante cinco elementos: estímulos, receptores, centros de procesamiento, efectores y respuesta. Iván Pávlov fue un fisiólogo ruso que desarrolló un método experimental para estudiar las conexiones que existen entre los estímulos y las respuestas [FIG. 24]. El perro fue su sujeto experimental, ya que a fines del siglo xix las regulaciones sobre experimentación animal eran muy escasas.
[FIG. 24]
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• 20 • [BIOLOGÍA 3]
Además, Pávlov realizó intervenciones quirúrgicas sobre los perros. Su investigación lo llevó a ganar el Premio Nobel en 1904.
Pávlov definió las bases del condicionamiento clásico, que es un tipo de aprendizaje asociativo. Basándose en sus conocimientos sobre la salivación de los perros instantes previos a ser alimentados, diseñó un experimento en el que hacía sonar una campana antes de darle comida al animal. Luego de haber repetido la experiencia varias veces, Pávlov observó que el perro comenzaba a salivar al escuchar la campana, aunque no se le entregara alimento. A partir de sus observaciones, estableció que un reflejo condicionado tiene lugar en situaciones específicas cuando aparecen estímulos considerados indiferentes (sonido de campana), combinados con un estímulo concreto (alimento) que, generalmente, da lugar a una respuesta (salivación). Tras repetir esta acción en varias ocasiones, el estímulo indiferente adquiere la capacidad de inducir la respuesta por sí mismo. En este caso, esta variante del modelo estímulo-procesamiento-respuesta excluye a los seres unicelulares, a las plantas [FIG. 25] y a otros animales más sencillos, dado que los descubrimientos de Pávlov se centraron en demostrar el papel que cumple el sistema nervioso en la regulación del proceso digestivo. Los seres vivos que no tienen sistemas regulatorios complejos reaccionan a los estímulos de distintas maneras. [FIG. 25]
Las plantas carnívoras extraen sus nutrientes de insectos y no tienen centros de procesamiento.
Los seres vivos son sistemas abiertos, controlados por sistemas específicos que responden a estímulos internos y externos mediante una acción coordinada. En muchos casos, ante la llegada de un estímulo, los organismos ejecutan una serie de procesos que les permiten retornar a su estado normal. Los componentes involucrados en las funciones que mantienen la homeostasis y los comportamientos que los animales llevan a cabo cuando responden a un estímulo son consecuencia de la selección natural. Aquellos organismos que, por azar, adquirieron estructuras, mecanismos fisiológicos o comportamientos que les permiten adaptarse mejor a un determinado ambiente podrán sobrevivir y transmitir esos atributos a la descendencia.
homeostasis
centro de procesamiento
estímulo
Aplicaciones del modelo El modelo estímulo-procesamiento-respuesta aplica a todos los seres vivos y está estrechamente relacionado con las distintas adaptaciones que las especies han desarrollado a lo largo de su historia evolutiva. La recepción de estímulos y la elaboración de respuestas de todos los organismos se explica con dicho modelo, el cual se conforma de cinco elementos.
ESTÍMULOS
RECEPTORES
CENTRO DE PROCESAMIENTO
Señales o cambios provenientes del medio externo o interno, que originan una respuesta en el organismo. Estructuras encargadas de captar el estímulo y enviar la señal al interior del individuo. Reciben la información procesada y ejecutan la respuesta. En los animales, es el sistema nervioso, el cual presenta diferentes adaptaciones entre especies.
EFECTORES
Las plantas y los microorganismos procesan la información mediante cambios fisiológicos.
RESPUESTAS
Son las distintas acciones que desencadenan los estímulos en los seres vivos.
Muchos estímulos generan diferentes respuestas en distintos organismos. La luz, por ejemplo, es crucial para las plantas, ya que sin ella no podrían elaborar su materia orgánica. Algunos animales son diurnos y desarrollan su vida exponiéndose al sol. Otros, en cambio, responden negativamente a este estímulo y huyen de él para esconderse en la oscuridad [FIG. 26]. La luz es un fenómeno electromagnético formado por distintas longitudes de onda. Los seres humanos tienen la capacidad de observar solo en el espectro visible, que corresponde a una pequeña parte del espectro electromagnético que constituye la luz.
[FIG. 26]
El bicho bolita es un crustáceo terrestre que vive en lugares húmedos y oscuros.
respuesta
Algunos animales son capaces de ver en otras regiones del espectro, como las abejas, que captan las señales lumínicas que se encuentran en la región ultravioleta del espectro. Por lo tanto, el hecho de que algo sea audible o visible por los humanos no es una propiedad del objeto, sino de la percepción de su sistema sensorial [FIG. 27].
[FIG. 27]
Los ratones son capaces de ver el espectro ultravioleta.
De manera similar, los peces y los murciélagos procesan los estímulos acústicos y responden ante ellos de diferentes formas. Los peces utilizan solo el oído interno para captar las vibraciones en el agua, ya que las ondas que el sonido produce en un medio acuoso se desplazan más rápido que en el aire y no requieren de un sistema de amplificación como el que tienen los animales terrestres. Así, los peces reconocen la presencia de una presa o de un posible peligro debido a perturbaciones en el agua. En cambio, los murciélagos captan los estímulos sonoros y responden a ellos de manera distinta: emplean el eco para evitar el choque contra otros objetos, lo que también les permite detectar a sus presas [FIG. 28].
[FIG. 28]
La ecolocalización es la capacidad que tienen algunos animales de conocer su entorno mediante la emisión de sonidos. El eco que producen los objetos se debe al rebote de los sonidos emitidos.
Guía de estudio 1. Busquen ejemplos de distintos modelos de estímulo-procesamiento-respuesta. Realicen un esquema en el que representen los cinco elementos descriptos. 2. ¿Por qué un mismo estímulo puede generar distintas respuestas en diferentes especies? ¿Y en diferentes individuos? Justifiquen su respuesta.
21
[CAPÍTULO 01] • 21 •
conductas innatas Palabras aprendizaje estímulo clave:
Las respuestas, los genes y la evolución Las respuestas que los organismos generan frente a los estímulos suelen ser fisiológicas y comportamentales. El ADN contiene la información para la elaboración de componentes estructurales y fisiológicos. Sin embargo, el comportamiento es un proceso mucho más complejo y, en la mayoría de los casos, está determinado por diversos factores genéticos y ambientales. Veamos…
Relación entre respuesta y genes Todos los seres vivos se encuentran influenciados por la expresión de su material genético, el cual no solo se relaciona con las estructuras anatómicas y los mecanismos fisiológicos, sino que también está involucrado en los rasgos comportamentales. Esto no implica que haya genes específicos que codifiquen aspectos particulares del comportamiento, pues se trata de un proceso muy complejo que depende de numerosos factores. El sistema nervioso y el sistema hormonal contribuyen a la función de relación de los organismos y, por ende, a las respuestas que estos generan. No obstante, la expresión genética influye en el desarrollo de circuitos neuronales. Por otro lado, los efectos de las hormonas ocurren sobre la célula que las reconoce, lo que a menudo conduce a la expresión de genes implicados en las respuestas biológicas. Algunos comportamientos aparecen la primera vez que el animal reconoce el estímulo. Las conductas estereotipadas o innatas son fijas, rígidas y predecibles, y suelen ser indistinguibles entre individuos jóvenes y expertos. Las arañas tejen sus telas sin adiestramiento, o cortejan a las hembras sin haberlo aprendido antes [FIG. 29]. Estos comportamientos se inician a partir de estímulos externos que actúan como señales.
[FIG. 29]
22
La araña pavo real realiza una asombrosa danza para atraer a la hembra.
Las conductas instintivas son importantes para la supervivencia, sobre todo para aquellos animales que no se crían con sus progenitores. Los animales más complejos, que son cuidados por sus padres, pueden perfeccionar o cambiar su comportamiento mediante el aprendizaje. No obstante, es importante tener en cuenta que todas las formas de comportamiento dependen de una interacción entre el organismo y el ambiente. La transmisión hereditaria de la mayoría de los comportamientos innatos es bastante compleja, ya que estos se ven afectados por muchos genes y factores ambientales. En 1964, el científico W. C. Rothenbuhler realizó un estudio concluyente sobre la conducta de limpieza de la abeja europea Apis mellifera. Esta investigación conforma uno de los pocos ejemplos descubiertos hasta la fecha sobre la herencia de comportamientos. Las abejas pueden padecer una enfermedad mortal conocida como “larvas sucias”, que es producida por una bacteria. Si las abejas mantienen la colmena libre de larvas muertas, reducen la probabilidad de que la infección se propague. Algunas abejas, denominadas “limpiadoras”, destapan las celdillas del panal y retiran las larvas muertas. Estos dos comportamientos están determinados genéticamente por dos genes distintos e independientes [FIG. 30].
[FIG. 30]
El comportamiento higiénico de las abejas sigue las leyes de Mendel.
A pesar de este ejemplo, la mayoría de los patrones de comportamiento heredados no se deben a genes independientes. La selección natural actúa favoreciendo aquellas características que resulten adaptativas para un determinado ambiente, y estas características pueden ser componentes anatómicos, aspectos funcionales o conductas. En este sentido, una misma especie que habita ambientes diferentes, puede presentar distintos comportamientos en cada uno de ellos.
supervivencia
fósil viviente
Respuestas y evolución En 1872, Charles Darwin publicó el libro La expresión de las emociones en el hombre y en los animales, en el cual explica de qué manera la selección natural puede favorecer determinados patrones de comportamiento que llevan a un aumento de la supervivencia. Según la teoría de la evolución por selección natural, aquellos comportamientos o respuestas que resulten más adaptados para un determinado ambiente otorgarían ventajas en términos de supervivencia. Al sobrevivir más, estos individuos podrían transmitir esta característica a su descendencia y, así, la respuesta hereditaria se volvería cada vez más frecuente en la población. La selección natural opera sobre variantes existentes que han sido el resultado de mutaciones ocurridas en el ADN durante la formación de las gametas y en la recombinación de genes provenientes de los progenitores. A lo largo de la historia evolutiva de los seres vivos, se ha observado una complejización de las respuestas generadas frente a los estímulos. Los organismos unicelulares procariotas fueron los primeros seres vivos que poblaron la Tierra. Luego aparecieron los unicelulares eucariotas como los protozoos, que captan los cambios de luz y temperatura como estímulos. La locomoción es la única respuesta generada por estos individuos. La evolución del ser humano comenzó hace unos cinco millones de años a partir de un grupo de primates que dieron lugar al ancestro común entre los humanos actuales y el chimpancé. A partir de este ancestro, evolucionaron los distintos homininos entre los que se incluye al ser humano y sus antepasados. El proceso evolutivo fue acompañado de una serie de cambios físicos y conductuales. Así, el aumento del tamaño cerebral del Homo sapiens se reflejó en sus capacidades intelectuales, que lo llevó no solo a generar respuestas complejas ante los estímulos del entorno, sino también, en algunos casos, a modificar el medio ambiente. Es importante tener en cuenta que cada especie viviente es el resultado del proceso evolutivo de su linaje y que no existen especies “más evolucionadas” que otras. Algunas especies prácticamente no han cambiado desde que aparecieron hace millones de años. Dentro de estas especies, denominadas “fósiles vivientes”, se encuentran el cangrejo cacerola, el reptil tuátara y el molusco nautilo [FIG. 31]. [FIG. 31]
El género Nautilus existe desde hace 500 millones de años.
selección natural
Estas especies, que se encuentran conservadas desde hace tanto tiempo, permiten inferir que sus respuestas frente a los estímulos siguen siendo ventajosas. El término “fósil viviente” no es aceptado ampliamente por la comunidad científica, pero suele utilizarse con frecuencia para referirse a aquellos animales que se creían extintos pero de los que luego se encontraron ejemplares vivos. Los peces celacantos se creyeron extintos hace 65 millones de años; sin embargo, en 1938 fueron descubiertos ejemplares vivos de una especie de este género. Los celacantos se consideran, junto con los peces pulmonados, posibles precursores de los primeros animales terrestres [FIG. 32].
[FIG. 32]
En 1998 se localizó otro ejemplar de celacanto en Indonesia.
En el reino vegetal se hallaron evidencias de especies que variaron muy poco a lo largo del tiempo. Charles Darwin dedicó especial atención al árbol Ginkgo biloba, ya que es el único representante de una familia de árboles extintos. El ginkgo actual presenta muchas similitudes con los fósiles de sus antepasados de hace 270 millones de años [FIG. 33]. Otro dato asombroso es que el Gingko biloba fue uno de los pocos sobrevivientes de los bombardeos de Hiroshima que pusieron fin a la Segunda Guerra Mundial en 1945.
[FIG. 33]
El Ginkgo puede llegar a vivir un milenio.
Guía de estudio 1. ¿En qué se diferencian las conductas innatas
o estereotipadas de las conductas aprendidas?
2. ¿Todos los comportamientos están
determinados solo por aspectos genéticos? Justifiquen su respuesta. 3. ¿Creen que ha cambiado el ambiente donde se desarrollan los “fósiles vivientes”? Expliquen.
23
[CAPÍTULO 01] • 23 •
Experiencia en acción y… Los estímulos y las respuestas Todos los seres vivos pueden responder a los estímulos del medio ambiente, pero cada especie lo realiza de una manera diferente. En el siguiente conjunto de experiencias podrán ver cómo su cuerpo responde a los distintos cambios.
Materiales
• Regla • Pañuelo • Hielo
• Reloj con segundero • Birome o lápiz • Cuaderno
Procedimiento
a. Uno de los integrantes del grupo se sienta en una silla y, una vez allí, se venda los ojos. Apoyen un cubito de hielo sobre su brazo. Repitan la acción pero ahora inviertan los roles. b. Un participante se sienta en una silla con las piernas cruzadas. El compañero, teniendo el puño cerrado, le dará un leve golpe con los nudillos en la rodilla de la pierna que está encima. Vuelvan a intercambiar los roles. c. Tomen sol durante 10 minutos. Toquénse la carótida con los dedos y cuenten el número de pulsaciones que hay en seis segundos. Luego, multipliquen por 10 para saber las pulsaciones por minuto. d. Salten durante dos minutos y tomen el número de pulsaciones por minuto. Luego, descansen durante cinco minutos y vuelvan a registrar el número de pulsaciones.
Observaciones y conclusiones
1. En la experiencia del hielo y del golpe en la rodilla, ¿ambas personas tuvieron las mismas reacciones? ¿Qué sentidos están involucrados en cada uno? 2. ¿Notaron diferencias en las pulsaciones en las distintas situaciones? ¿A qué se podrían deber? Armen una tabla con el promedio de las pulsaciones por minuto de todos los participantes en las distintas situaciones. ¿Cómo se relaciona el ritmo cardíaco con los estímulos?
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• 24 • [BIOLOGÍA 3]
…revisión final. 1. Armen un cuadro sinóptico en donde incluyan los siguientes términos: sistema
• abierto • cerrado • heterogéneo • homogéneo
5. Determinen si las siguientes oraciones son verdaderas (V) o falsas (F). De ser incorrectas, redáctenlas de nuevo para que sean correctas.
a. Los estímulos pueden ser tanto internos como externos. b. Las nastias implican movimientos lentos e irreversibles. c. Las glándulas producen hormonas que actúan como mensajeros químicos frente a diversas señales o estímulos. d. El término fósil viviente se aplica a aquellas especies que están extintas actualmente pero que habitaron la Tierra hace millones de años.
a. Con algunos de esos términos, armen un acróstico y escriban sus definiciones.
2. Justifiquen en sus carpetas por qué las siguientes afirmaciones son correctas.
a. Los seres vivos son sistemas abiertos. b. Los estímulos y las respuestas dependen de cada especie y de cada individuo.
c. La homeostasis es una función dinámica.
3. Unan con flechas los siguientes términos. función de
nervioso
estímulo
relación
6. La planta conocida como “Trompeta de Ángel” o “Floripondio” es un arbusto muy común en América Central y del Sur, y presenta unas flores blancas que la hacen muy atractiva a la vista. Dicha planta contiene un compuesto químico que, si se lo ingiere, deprime al sistema nervioso central. Esta sustancia es utilizada en pequeñas dosis para la fabricación de medicamentos para Parkinson, y el consumo en altas dosis puede provocar alucinaciones y hasta la muerte.
sistema
procesamiento
a. ¿Qué función creen que cumple esta sustancia en el Floripondio?
centro de
externo
b. Para el organismo que la ingiere, ¿cuál es el estímulo y cuál es la respuesta?
a. Redacten con sus palabras una definición para cada uno de los términos obtenidos. b. Armen dos oraciones de modo que cada una contenga dos de los términos obtenidos.
4. Las bebidas denominadas isotónicas son prepa-
rados que favorecen la hidratación de las personas. Comúnmente, son ingeridas por los deportistas de alto rendimiento luego de hacer actividad física. La mayoría de ellas contiene gran cantidad de azúcar y de sales.
a. Expliquen por qué los deportistas ingieren estas bebidas luego de transpirar. b. ¿Qué vínculo existe entre la osmolaridad y las bebidas isotónicas? Justifiquen su respuesta.
7. El apunamiento o el mal agudo de montaña es la
incapacidad de adaptación del organismo a la falta de oxígeno. La causa es que la presión atmosférica disminuye con la altura, lo que afecta a la disponibilidad de oxígeno, ya que los alvéolos pulmonares no son capaces de transportar la misma cantidad de oxígeno a la sangre frente al aumento de la presión.
a. Busquen información sobre los síntomas vinculados con el apunamiento. b. Redacten un párrafo en donde vinculen al apunamiento con la homeostasis. c.
Algo similar ocurre cuando una persona se sumerje a bucear a altas profundidades. Busquen información y redacten un informe en donde expliquen el proceso estímulo-respuesta que se genera.
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[CAPÍTULO 01] • 25 •