BIOLOGÍA
EL ORIGEN DE LA VIDA La aparición de la vida no es más que una de las etapas de la evolución del Universo, que se dio en nuestro planeta pero que, probablemente, pueda darse o se haya dado en otros más. La Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años pero ya que no se conservan restos de las rocas formadas en los 1.000 millones de años iniciales, durante los cuales es probable que aparecieran los primeros organismos vivos, no queda constancia de su presencia.
LA EVOLUCIÓN ABIÓTICA La energía cósmica es el origen de toda la materia que conocemos y a partir de ella se formó el Universo. Lo primero que tuvo lugar en ese proceso de evolución del Universo fue la formación de la materia mineral o inorgánica, después la materia orgánica y, por último, los primeros seres vivos. A partir de la aparición de los primeros organismos vivos comienza la segunda etapa evolutiva, la llamada evolución biológica. La constitución química de todos los seres vivos es similar y formada fundamentalmente por unos pocos elementos que aparecen organizados en una serie de compuestos químicos complejos, los
llamados principios inmediatos (glúcidos, lípidos, prótidos), que son los que constituyen la materia viva. A lo largo de la evolución química o abiótica, estos compuestos se fueron agrupando de forma selectiva hasta dar origen al primer ser vivo. En este proceso cabe distinguir, a grandes rasgos, tres etapas evolutivas.
LOS CAMBIOS EN LA ATMÓSFERA PRIMITIVA En sus comienzos, la atmósfera terrestre apenas contenía oxígeno libre, es decir, que era anaerobia. La constituían compuestos reducidos, o sea, combinados con el hidrógeno, a diferencia de lo que sucede con la atmósfera actual, que se encuentra oxidada. Había cuatro gases principales: metano, amoníaco, va-
La aparición de la vida fue posible gracias a los cambios que estabilizaron el planeta, alcanzándose unas condiciones de temperatura aptas para la persistencia de los primeros compuestos orgánicos.
180
EL ORIGEN DE LA VIDA
por de agua e hidrógeno, además de helio y neón. La capa de ozono existente en la actualidad en la alta atmósfera no existía, y las radiaciones solares, incluidas las ultravioleta, atravesaban la atmósfera y llegaban hasta la superficie. Fue la energía de estas radiaciones la que determinó la transformación lenta de la atmósfera reducida y anaerobia en una atmósfera oxidada y aerobia, rica en oxígeno libre y en nitrógeno.
Protosol Polvo cósmico
Protoplanetas
A partir de una nube inicial de polvo cósmico se formó el Sol y a su alrededor los planetas, satélites y demás cuerpos celestes. Los gases escapados del interior de la Tierra dieron lugar a una atmósfera primitiva, que protegió al planeta contra la radiación solar y que contenía, entre otros compuestos, metano, pero que carecía de oxígeno. La materia orgánica formada dentro de las aguas se convirtió en seres vivientes gracias al aporte de energía procedente del espacio exterior, como la ultravioleta.
LA APARICIÓN DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS Y EL CALDO PRIMITIVO
Sol Tierra
Atmósfera primitiva Radiación ultravioleta
Vapor de agua Amoníaco
Metano
Materia orgánica
Radiación ultravioleta
Rios
Materia orgánica
Radiación ultravioleta
Materia orgánica Coacervado
La atmósfera que hoy respiramos es el resultado de un largo proceso desarrollado a lo largo de la historia geológica de nuestro planeta. Inicialmente carecía de oxígeno y fueron los organismos fotosintéticos marinos los que lo generaron y liberaron al exterior.
Las principales fuentes de energía en aquella primera atmósfera eran los rayos ultravioleta, las radiaciones radiactivas y el calor, que tenían su origen en la desintegración de los elementos radiactivos, en el calor desprendido en las abundantes erupciones volcánicas y en las descargas eléctricas de las tormentas. Las primeras moléculas orgánicas fueron probablemente el ácido cianhídrico (HCN) y el formaldehído (CHOH), que se formaron al recombinarse los radicales atómicos que se habían liberados, utilizando para ello las fuentes de energía mencionadas, en la descomposición de las moléculas de los gases primitivos. Estas primeras moléculas se acumularon en los mares primitivos, donde quedaban protegidas frente a posibles oxidaciones y frente a los rayos ultravioleta, y más tarde evolucionaron hasta formar moléculas orgánicas más complejas, como ribosa, aminoácidos, purinas, pirimidinas, que son los pilares básicos para la formación de azúcares, proteínas y ácidos nucleicos. En este mar primitivo, convertido en lo que se ha llamado caldo primitivo, permanecieron, a lo largo de un proceso lento de autoselección, las moléculas más estables, que darían
Radiación ultravioleta
Nitrógeno, oxígeno, anhídrido carbónico, vapor de agua Plantas terrestres
Luz
Oxigeno Peces
181
Algas
BIOLOGÍA
La materia inorgánica aportó los componentes estructurales que, gracias a la energía externa, se transformaron en materia orgánica: hidratos de carbono, proteínas y aminoácidos.
lugar, por polimerización, a las complejas macromoléculas orgánicas que luego serían características de los organismos vivos.
LA HIPÓTESIS DE LOS COACERVADOS Tras esa primera fase, los materiales orgánicos formados evolucionaron hacia la individualización, que es lo que caracteriza a los seres vivos y que los mantiene aislados. Para ello desarrollaron una especie de membrana que los separaba del medio circundante. Para explicarlo, Oparin expuso su hipótesis de los coacervados. Esta propuesta aventura el posible proceso mediante el cual las macromoléculas, separadas del caldo primitivo de origen abiótico, pudieron organizarse espontáneamente de múltiples formas, constituyendo agregados, a modo de pequeñas gotas, rodeados de una capa molecular que desempeñaría el papel de membrana aislante del medio exterior. Estos agregados se hallarían, no obstante, en equilibrio con la solución del caldo primitivo y, por una especie de me-
tabolismo elemental, podrían asimilar ciertos elementos.
LOS PRIMEROS SERES VIVOS Es posible que, según la hipótesis de Oparin, algunos de estos coacervados poseyeran ácidos nucleicos y los enzimas necesarios para su replicación. Aquellos que lograron permanecer estables fueron los únicos que pudieron seguir la trayectoria evolutiva hacia el
En la bahía de Shark (Australia), se encuentran los seres vivientes más antiguos conocidos, los estomatolitos, que constituyen las primeras etapas de la aparición de la vida sobre nuestro planeta.
182
EL ORIGEN DE LA VIDA
Aves (hace 147 millones de años)
Esta espiral nos muestra los sucesivos pasos que dio la vida a medida que se consolidaba sobre la Tierra. Los inicios, hace unos 3,8 billones de años, fueron difíciles, pero la evolución no ha cesado y Pequeños mamíferos ha originado incontables (hace 80 millones variedades de seres de años) vivientes: unos se extinguieron y otros todavía viven. ICO TÁC CRE
Invertebrados (hace 545 millones de años) Plantas marinas (hace 440 millones de años)
Bacterias (hace 3,8 billones de años)
OR DO
Plantas terrestres (hace 400 millones de años)
ICO RM PÉ
CARBONÍFERO
TE RC IAR IO
DEVÓNICO Anfibios (hace 360 millones de años)
PRE C ÁMBRICO
Formación de la Tierra (hace 4,6 billones de años)
JURÁSICO Extinción TRI ÁSI CO de los dinosaurios (hace 65 millones de años) Grandes mamíferos (hace 40 millones de años)
Hombre actual (hace 300.000 años)
RECÁMBRICO BRICO P CÁM VÍC ICO SIL ÚRICO
Dinosaurios (hace 170 millones de años)
IO AR RN E AT CU
Peces (hace 400 millones de años)
Bacteria de hace 2.000 millones de años encontrada en Finlandia. Muestra una forma redondeada, muy apropiada para la vida en el medio acuático.
primer ser vivo, dando paso a la evolución biológica. A estas formas de vida primitiva se les ha denominado eubiontos, al estar reducidas prácticamente a un filamento de ácido nucleico con capacidad para transcribir información genética. Estos primeros organismos vivos fueron heterótrofos y anaerobios, que son rasgos propios de las fermentaciones, y se nutrían de la materia orgánica presente en el caldo primitivo. Al agotarse esta reserva nutritiva, tras un largo proceso de adaptación para sobrevivir de forma autótrofa apareció la fotosíntesis, dado que la transformación de la atmósfera dificultaba la síntesis de nueva materia orgánica. Gracias al proceso fotosintético la biosfera se enriqueció en oxígeno, posibilitando de este modo tanto la vida aerobia como también la nutrición heterótrofa a expensas de la materia orgánica sintetiza-
183
da por los organismos autótrofos. Finalmente tuvo lugar otro proceso importante, el de formación de la capa de ozono, una especie de escudo protector que filtra las radiaciones perniciosas del Sol y que de esta manera permitió la colonización de las tierras emergidas.
i AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Qué gases predominaban en la atmósfera inicial de la Tierra, el metano o el oxígeno? 2. ¿Cuáles fueron las fuentes de energía disponibles en la atmósfera primitiva de nuestro planeta? 3. Los primeros coacervados tuvieron que dotarse de una membrana aislante del medio exterior.Verdadero o falso. 4. ¿En qué orden aparecieron los siguientes grupos: bacterias, anfibios, dinosaurios, aves?
CITOLOGÍA Para conocer los seres vivos es imprescindible el estudio de la célula, como unidad de vida. La ciencia que estudia la célula, tanto en su morfología como en su bioquímica, su fisiología y su evolución, es la citología. Gracias al microscopio y a las técnicas de laboratorio, hoy se conoce cómo es y cómo funciona la célula vegetal y la animal.
LA CÉLULA: UNA UNIDAD COMPLETA
Lisosoma Vesícula
Membrana nuclear Microtúbulos
Microfilamentos Retículo La definición generalmente aceptada de célula la endoplasmático describe como la unidad orgánica más pequeña, rugoso que es capaz de llevar una vida independiente. Vacuola Todos los seres vivos, por grandes que sean, están formados por millones de pequeñas células. Mitocondria La célula actúa como un sistema abierto en el que Núcleo hay un constante intercambio de materia y energía con el entorno y donde los componentes que la forman experimentan, también, una renovación permanente. La célula posee la capacidad de admitir selectivamente esos materiales, organiCentriolos zarlos y aprovecharlos en su interior y, después, Retículo endoplasmático eliminar los residuos resultantes de su metaboliso Membrana lismo. plasmática Aparato La célula posee una estructura general, si bien de Golgi Citoplasma Vesícula presenta variaciones entre los distintos tipos de organismos, como sucede entre las células vegeAunque todas las células son similares, existen diferencias entre las de los seres que pertenecen a diferentes reinos. tales y animales. Arriba, una célula animal; abajo, una célula vegetal. Se pueden diferenciar distintos tipos de células: en primer lugar están aquellas provistas de Aparato Vesícula un núcleo separado del citoplasde Golgi Tilacoides tanto el nombre de proma por una membrana, que reVacuola célula y los organismos ciben el nombre de eucéluque presentan este tipo las y que son las que se Membrana nuclear celular se denominan proencuentran entre los cariotas, entre los que animales y vegetales. se cuentan las bacterias, Estos organismos remuchas algas inferiores ciben entonces el Retículo y los actinomicetes. nombre de eucaendoplasmático Las células presentan coriotas. En otros rugoso mo norma general una casos, no existe Nucleoplasma forma esférica o elipsoiseparación entre el dal, si bien puede moscitoplasma y el núCitoplasma trar numerosas variaciocleo, siendo éste una Membrana nes, como es el caso de agregación carente de Cloroplasto plasmática las células nerviosas, que una membrana de sepaMitocondria Pared celular Núcleo son estrelladas y se ramiración. La célula recibe por
184
CITOLOGÍA
Célula eucariota
Célula procariota Membrana plasmática
fican. Aunque casi siempre su tamaño es microscópico, a veces pueden ser muy grandes (huevo de avestruz). Algunos organismos unicelulares, como los foraminíferos fósiles, pueden alcanzar un diámetro de hasta 12 centímetros.
LOS COMPONENTES DE LA CÉLULA
Cloroplasto
Mitocondria
Célula huésped Procariota heterotrófica aerobia
Izquierda, cadena de un alga procariota, Nostoc. Centro, la teoría endosimbiótica afirma que los orgánulos de la célula eucariota derivan de células procariotas simbiontes de una célula huésped. Derecha, microfotografía de una célula eucariota humana.
La célula eucariota consta de un citoplasma coloidal, en cuyo interior se encuentra un núcleo, y de una membrana plasmática, que rodea a los dos anteriores y que puede ser de distintos grosores. El citoplasma contiene también numerosas inclusiones y orgánulos citoplasmáticos. Además de esta estructura general, existe un gran número de variaciones entre los distintos tipos de organismos, como sucede entre las células vegetales y animales. Citoplasma
Procariota fotosintética
Membrana celular
Núcleo
Nucléolo
Citoplasma
Pared celular
Vesícula
Núcleo
Nucléolo
Mitocondria
Cloroplasto
Microfotografía de una célula animal (derecha) y de una célula vegetal (izquierda) con sus principales componentes. La pared celular y los cloroplastos de esta última permiten distinguirla de la de origen animal.
Mitocondrias
Vacuola
EL CUERPO CELULAR: EL CITOPLASMA Comprende todo lo que se encuentra en el interior de la membrana plasmática, salvo el núcleo, e incluye un número variable de elementos diferenciados, a los que se da el nombre de orgánulos y que son el lugar donde ocurren las funciones vitales de la célula. Se compone principalmente de agua con una determinada cantidad de iones y proteínas disueltos en ella. 185
BIOLOGÍA
Estructura del núcleo celular, cuyo interior contiene el ADN o material hereditario. Es el órgano rector de la célula con capacidad de multiplicación y diversificación.
Cromatina
Membrana nuclear Nucléolo
y al llevar en su interior el material genético, es el elemento principal para la perpetuación y la evolución de las especies de todos los seres vivos.
UNA PANTALLA PROTECTORA: LA MEMBRANA PLASMÁTICA
EL CENTRO RECTOR DE LA CÉLULA: EL NÚCLEO
Este importante orgánulo Se trata de una película consiste en una estructura muy delgada que rodea Poros que aparece rodeada de a la célula, separándola Ribosomas una doble membrana, la del medio exterior. ConRetículo endoplasmático denominada membrana siste en una doble capa rugoso nuclear, que es discontide moléculas con unos nua puesto que presenta nuporcentajes similares de fosmerosas aberturas o poros a través de los cuales folípidos (grasas) y proteínas, que cuando resulta se produce el intercambio de materiales con el cidañada tiene la capacidad de regenerarse y restoplasma. Todas las células poseen esta membrataurar su estructura original. na, salvo en la de los organismos procariotas, que Cabe destacar un aspecto muy relevante de esta carecen de un núcleo definido. membrana, su semipermeabilidad. Esto significa En el interior del núcleo están las moléculas de que, mediante procesos de ósmosis y de difusión, ADN que contienen toda la información que condeja pasar de manera selectiva el agua y las sustrola el funcionamiento de la célula, además de tancias disueltas en ella. Es posible entonces reaquella otra que determina las características esgular el importante proceso del intercambio de pecíficas del organismo al que pertenece. sustancias con el medio, permitiendo así la entraEl ADN se presenta generalmente en forma de un da de determinados compuestos e impidiendo filamento granuloso de gran longitud, conocido también que aquellos que son importantes para como cromatina. Durante el proceso de la divila célula escapen de ella. sión celular, la membrana del núcleo desaparece Además de la anterior, en la célula de los vegetay la cromatina se concentra y forma así los cromoles aparece otra membrana más externa, que está somas. Junto a la cromatina, en el núcleo aparece formada por celulosa y que se denomina pared un número variable de nucléolos, que celular. Es una estructura muy rígida y desempeñan un papel importante poco permeable, por lo que protege Dentro del núcleo de cada en la síntesis de las proteínas, faa la célula de las entradas y salidas célula se encuentra el material bricando varios tipos de ARN. no deseadas de agua y proporciohereditario agrupado en los El núcleo constituye el centro rena una forma estable a la célula, cromosomas, 46 en la especie humana, formados cada uno de gulador de la actividad célular, el al contrario de lo que sucede ellos por cadenas de ADN responsable de su multiplicación en la de los animales. (ácido desoxirribonucleico). Célula Cromosoma
ADN
Núcleo
186
CITOLOGÍA
Corte longitudinal de la membrana plasmática. Muestra una estructura de bicapa, con el extremo hidrófobo de los lípidos hacia el exterior y el hidrófilo hacia el interior. Las proteínas incluidas se encargan de la comunicación intercelular.
Glucoforina
Glucolípidos
Exterior celular
LOS ORGÁNULOS DEL CITOPLASMA
Cabezas polares
Proteínas de membrana
Corte de la pared celular de un vegetal, con las distintas capas de celulosa que consiguen mantener la forma de su cuerpo y la necesaria rigidez para soportar el peso.
Pared primaria
Célula Lámina media
Son los responsables de realizar las distintas actividades metabólicas de la célula, se Bicapa encuentran inmersos en el lipídica hialoplasma y sus estructuras son muy diversas. Algunos de estos orgánulos son exclusivos de las células animales y otros de las vegetaColas hidrófobas Interior celular les. Entre los principales se encuentran los siguientes. Las mitocondrias. Orgánulos en Capas cuyo interior tiene lugar el importante proceso de de la pared la respiración celular. Pueden ser esféricas o presecundaria sentar la forma de sacos alargados. Bajo el microscopio electrónico presentan una estructura compleja constituida por una doble membrana, cuya composición y disposición interior son análogas a la de la membrana celular. La exterior es lisa y continua mientras que la interior se repliega hacia dentro formando numerosas crestas. Dentro de las mitocondrias hay enzimas encargadas de digerir los alimentos, lo que ha hecho que se las considere la fábrica de energía de la célula. Por este motivo, se concentran en la parMembrana interior te más activa de esta última y son más numerosas en aquellas células que desarrollan funciones de metabolismo intenso, como sucede con las neuronas o las células Membranas Cresta exteriores musculares. Los ribosomas. OrIzquierda, microfotografía de una gánulos más o menos mitocondria. Arriba, su estructura, esféricos, que son los constituida por una doble membrana, una exterior lisa y otra interior que más numerosos y de se repliega formando tabiques menor tamaño que se completos o crestas. Dentro de ella encuentran dentro del abundan los enzimas encargados de la respiración celular. citoplasma. Contienen 187
BIOLOGÍA
ácido ribonucleico (ARN). Se les puede encontrar libremente distribuidos, aislados o agrupados en unas unidades mayores que se denominan polisomas. Muy a menudo, los ribosomas se adhieren también a la membrana exterior del núcleo y a la membrana del retículo endoplasmático. En su interior tienen lugar importantes procesos metabólicos, sobre todo los de síntesis de las proteínas.
Estructura de un ribosoma, compuesto por dos subunidades de forma esférica, y en cuyo interior tiene lugar la síntesis de las proteínas.
ARNm
Abajo, microfotografía del aparato de Golgi. Izquierda, su estructura, que muestra las sustancias producidas por el retículo endoplasmático, que almacena y transporta al exterior.
Receptor del ribosoma
Polipéptido
Los lisosomas aparecen como vesículas más o menos esféricas, que están rodeadas de una membrana simple y cuya función y estructura están relacionadas con el aparato de Golgi. Proceden de este último al desprenderse por estrangulamiento de sus sáculos.
El aparato de Golgi. Estructura que rodea a los centriolos y consiste en una serie de cavidades aplanadas, que se agrupan en paquetes apilados de 4 a 8. Cada uno de estos grupos constituye una unidad funcional denominada dictiosoma. Se encarga de almacenar y transportar hacia el exterior las sustancias que se han producido en el retículo endoplasmático. Está presente en casi todas las células animales y vegetales. El retículo endoplasmático es un sistema intrincado de membranas que presenta idéntica estructura que la membrana plasmática y que tiene como misión transportar y almacenar dentro de la célula diversos materiales. Se conocen dos tipos de retículos endoplasmáticos: el retículo endoplasmático rugoso, que lleva adheridos en su superficie exterior numerosos ribosomas, y el retículo endoplasmático liso, desprovisto de estos ribosomas y que participa en la síntesis de fosfolípidos y hormonas.
Ribosoma
Izquierda, microfotografía del retículo endoplasmático. Arriba, su estructura, que muestra las membranas que lo forman, sobre las que se adhiere gran cantidad de ribosomas.
188
CITOLOGÍA
Microfotografía de los lisosomas. Los lisosomas llevan en su inteEstos orgánulos desarrollan un metabolismo rior enzimas digestivas, motivo intenso, pues contienen enzimas digestivos por el cual desempeñan un paque proporcionan energía a la célula. pel importante en la digestión intracelular de diferentes nutrientes, destruyen los materiales que no son necesarios y se encargan de disgregar la célula cuando ésta muere. Los centrosomas consisten en parejas de cilindros de tamaño muy reducido, conocidos como centriolos, que se disponen perpendiculares entre sí. Cada centriolo, por su parte, consiste en nueve El centriolo lo forman nueve microtúbulos, microtúbulos unidos formando un cilindobles o triples, que se dro. Tienen como función organizar el disponen formando un complicado proceso de la división celular. cilindro con el interior hueco. También intervienen en la formación de los cilios y de los flagelos. duran, van agregándose para formar una gran Las vacuolas aparecen en el citoplasma como cavacuola central. vidades de forma esférica y de tamaño muy diverLos plastos son estructuras exclusivas de los veso y rodeadas de una membrana simple. Actúan getales. Se trata de orgánulos de formas muy vacomo almacén o depósito de las sustancias que riables. Su función es sintetizar o almacenar diverse producen en la célula, ya sean nutrientes o resas sustancias de reserva en los vegetales verdes. siduos. En los organismos acuáticos controlan Cabe distinguir tres tipos de plastos: los clorotambién el volumen de agua interno. plastos, de forma discoidal y con numeroLas vacuolas son muy numerosos repliegues membranosos y que consas en las células vegetales tienen un pigmento denominado jóvenes, pero después, a clorofila, que es la responsable de la medida que éstas mafotosíntesis; los leucoplastos, incoMicrofotografía de una loros y almacenan principalmente vacuola, rodeada de almidón; los cromoplastos que una membrana simple, en otorgan las coloraciones caracteríscuyo interior se almacenan sustancias metabólicas, ticas a las flores y a los frutos puesto materiales procedentes del que contienen diferentes pigmentos. exterior o residuos que la Las peroxisomas tienen el aspecto de célula debe expulsar. sacos membranosos. En su interior aparecen diversas enzimas de oxidación, tales como la Laminillas Membrana peroxidasa y la catalasa que tienen como misión externa Membrana Granos Estroma interna romper las moléculas de agua oxigenada, un producto que es muy perjudicial para las células. Se forman por estrangulamiento del retículo endoplasmático liso y participan principalmente en la degradación de los ácidos grasos y, en el caso de
Estructura interna de un cloroplasto, presente únicamente en los vegetales. Consta de un disco de doble membrana en cuyo interior se encuentra la clorofila, un pigmento verde con capacidad de absorber la energía luminosa.
189
BIOLOGÍA
Ameba con los característicos pseudópodos, unas prolongaciones del citoplasma a modo de dedos, cuya función es generalmente motriz.
entorno, agitándolo, por ejemplo, para producir corrientes de agua. Los cilios son cortas prolongaciones del citoplasma, rodeadas de la membrana celular. En su base presentan una estructura formada por centriolos y que recibe el nombre de cuerMembrana po basal. De él parte un conjunto plasmática de nueve microtúbulos que forman un anillo y que engloban dos microtúbulos centrales. Dos microtúbulos Suelen aparecer en gran centrales número y cuando se agilas células vegetales, en la Brazo tan, los cilios actúan como fotorrespiración. medio de locomoción para Los microfilamentos aparemuchos organismos unicecen únicamente en algunas lulares, por ejemplo, en el zonas concretas del citoplascaso de los protozoos ciliama. Consisten en fibras delCilio o flagelo dos. En los organismos plugadas de actina, que es una ricelulares, las células proproteína, y que se presenMembrana vistas de cilios aparecen tan por lo general agrupaplasmática Doble microtúbulo por lo general en el interior das, formando en ocasiones de cavidades, revistiéndolas una especie de retículo. EsCuerpo basal y facilitando de este modo el tos elementos participan en desplazamiento de cualquier las corrientes citoplasmáticas que Abajo, microfotografía de un material que pase por encima suyo. hacen posible el movimiento de paramecio, que muestra los Los flagelos son largas prolongamuchas células y también de ornumerosos cilios que recubren ciones del citoplasma, con la misma ganismos unicelulares como las su membrana. Arriba, su estructura, que al igual que la de estructura y origen que los cilios, amebas. los flagelos está formada por por lo que su principal diferencia Los microtúbulos, por último, tiemicrotúbulos propulsores. radica en la longitud que alcannen el aspecto de cilindros huecos zan. Otra característica diferenciay rectos, de longitud variable, y esdora es que su número es siempre tán formados por una proteína. muy inferior al de los cilios, exisGracias a su consistencia rígida, tiendo a veces sólo uno o dos por sirven muchas veces de esqueleto célula. Los flagelos son caracterísintracelular. No obstante, la tarea ticos de muchos organismos uniprincipal que han de llevar a cabo celulares, como los protozoos flaes su participación en la división gelados o las algas unicelulares. de la célula, formando parte de los filamentos del huso acromático. Por otro lado, se les encuentra asimismo presentes en los cilios, los AUTOEVALUACIÓN flagelos, los cuerpos basales y los centriolos. 5. Muchas células llevan en el núcleo uno o varios
i
corpúsculos, llamados … 6. ¿Cuál de estos nombres no es un componente de la célula?: a) citoplasma, b) histona, c) membrana plasmática, d) núcleo. 7. Los plastos son estructuras celulares que permiten a los animales sintetizar y almacenar sustancias de reserva. Verdadero o falso.
ESTRUCTURAS MOTRICES DE LA CÉLULA Además de los diversos orgánulos que aparecen en el interior del citoplasma, una parte de éste se puede prolongar hacia el exterior formando dos tipos principales de estructuras de función generalmente motriz, ya sea de la propia célula o de su 190
BIOQUÍMICA Los seres vivos funcionan gracias a toda una serie de reacciones químicas que tienen lugar entre elementos ya presentes en la naturaleza, sea bien en forma libre o como compuestos, pero que en este caso se organizan de un modo especial siguiendo unos esquemas determinados y estructurándose en complejos sistemas.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS El elemento que caracteriza a la vida por excelencia es el carbono. Se presenta por lo general formando compuestos muy diversos y se le encuentra como un elemento constituyente de la materia de todos los seres vivos, tanto en las estructuras que ésta adopta, es decir, las células, los tejidos y los órganos, como en las diferentes sustancias que dichas estructuras pueden fabricar, como enzimas, secreciones, etc. A pesar de la gran diversidad de formas que pueden adoptar los elementos químicos en los seres vivos, hay varias que podemos considerar las principales y que veremos a continuación.
Estructura de un átomo de carbono, formado por una parte central, donde se encuentran protones y neutrones, y los electrones orbitando por fuera a su alrededor.
EL AGUA Y LAS SALES MINERALES Puede afirmarse que un compuesto esencial para la vida y principal componente de los seres vivientes es el agua. Ello se debe a que actúa como medio de transporte para la circulación de los nutrientes en el interior de los organismos y como medio donde tienen lugar muchas de las reacciones químicas. Otro componente importante son las sales minerales, que en los seres vivientes aparecen por lo general en forma de disoluciones. Estas sales actúan como reguladores del pH, de los procesos de ósmosis y de la salinidad del medio interno orgánico.
LOS GLÚCIDOS Designados también como hidratos de carbono, estas sustancias son compuestos químicos que los vegetales verdes fabrican
La vida existe gracias al agua, un constituyente importante de todos los seres vivos. Su molécula consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
191
BIOLOGÍA
Estructura de la molécula de sacarosa o azúcar común, un glúcido que cede rápidamente energía al organismo que lo consume.
en el curso de los procesos fotosintéticos y cuya fórmula general es Cn(H2O)n. Entre los glúcidos más comunes y conocidos se encuentran los siguientes: glucosa, fructosa, lactosa, sacarosa, maltosa, etc.
LOS LÍPIDOS La molécula de estas sustancias contiene ácidos grasos. Se caracterizan porque, en general, son insolubles en agua pero en cambio se disuelven bien en los disolventes orgánicos. Constituyen uno de los componentes importantes de todas las células y sirven de proveedores de gran cantidad de energía, que liberan cuando se degradan. Ejemplos de lípidos son los ácidos grasos (ácido butírico, ácido palmítico, ácido oleico, ácido linoleico, etc.), el glicerol (es el principal alcohol de los lípidos) y los ésteres de glicerol y de ácidos grasos.
LOS AMINOÁCIDOS Están constituidos por un grupo carboxilo, una amina y un radical variable y pueden estar presentes tanto libres como formando parte de las proteínas. Se trata de unos compuestos de considerable importancia biológica, no sólo porque forman las proteínas sino, además, porque son los precursores de numerosos glúcidos, de lípidos y de diferentes hormonas. Por lo general son solubles en
Estructura química de la molécula del ácido palmítico, un lípido presente en aceites y grasas de origen animal y vegetal. Cuando se degradan, liberan gran cantidad de energía.
192
BIOQUÍMICA
agua. Un grupo importante son los llamados aminoácidos esenciales, necesarios para el organismo pero que éste no puede fabricar por sí mismo, por lo que debe incorporarlos a través de los alimentos.
Oxígeno Carbono
Estructura molecular de la alanina, un aminoácido esencial utilizado por el organismo para sintetizar las proteínas.
Nitrógeno Hidrógeno
LOS ENZIMAS
Los enzimas son sustancias en las que cabe distinguir dos partes, una proteica denominada apoenzima y otra no proteica a la que se designa como El papel de estas sustancias tiene coenzima y que es la porción que una enorme importancia para toreacciona con el sustrato. Los enzimas dos los seres vivos. Son, por un lason los catalizadores de las reacciodo, la materia prima que constituye nes bioquímicas que tienen lugar en una parte esencial de las células, los organismos y como tales no resullos tejidos y otras estructuras orgáAlanina tan modificados en el curso de las nicas, y por otro lado actúan como reacciones. Para actuar se requieren catalizadores de las reacciones orsólo cantidades pequeñas y su acción gánicas, es decir, de enzimas. Las no altera el equilibrio de las reacciones reversibles. proteínas son macromoléculas formadas por Igualmente importantes son los denominados otros compuestos más sencillos, los denominados factores enzimáticos. Se trata de unas sustanaminoácidos, constituidos por varios átomos de cias químicas que actúan modificando las reacciocarbono que llevan, cada uno de ellos, un hidrónes enzimáticas, ya sea inhibiéndolas o geno, un grupo amino activándolas. Conviene resaltar tam(–NH2), un grupo carbobién otra característica relevante de los xilo (–COOH) y un grupo enzimas, la de su especificidad, que R (que pueden ser otras sustancias). Los aminoácidos se unen entre sí formando los polipéptidos, que son cadenas, más o menos largas, que al agruparse unas con otras originan las proteínas.
LAS PROTEÍNAS
Las proteínas, que se encuentran tanto en productos de origen animal como vegetal, desempeñan un papel esencial en la nutrición y de su estructura depende cualquier actividad celular. Si no hay proteínas no hay vida.
193
BIOLOGÍA
Los enzimas (derecha, modelo tridimensional del enzima ribonucleasa) son proteínas que se fijan de modo específico a un determinado sustrato, formando un complejo que dura lo que tarda en producirse la reacción metabólica. Luego se desprenden y pueden volver a utilizarse en otra reacción.
Sustrato
Enzima
ES
EP
Producto
A las vitaminas se las designa generalmente mediante una letra mayúscula a la que se añaden subíndices cuando resulta necesario dentro de un mismo grupo hacer distinciones en cuanto a su composición química. La vitamina A es necesaria para el crecimiento y para la vista y se encuentra en la leche, la manteLAS VITAMINAS quilla, el hígado, el pescado, el queso. La vitamina B1, cuya ausencia causa el beriberi y problemas Unas sustancias que resultan imprescindibles para que la totalidad de las funciones del organismo disdigestivos, está presente en los cereales, la fruta, curran de manera correcta son las vitaminas. A pelas verduras, la leche, la carne. La vitamina B2, cusar de ser esenciales, estos compuestos orgánicos ya ausencia provoca diversas afecciones cutáneas, sólo se necesitan en cantidades se encuentra sobre todo en la leche. mínimas. Los animales carecen La vitamina B6 se necesita para el Las vitaminas son esenciales para el funcionamiento metabólico de los de la capacidad de síntesis para crecimiento y se encuentra en las fruorganismos heterótrofos. Las que se estos biocatalizadores, así que tas, verduras, levadura. La vitamiencuentran en la fruta resultan están obligados a incorporarlos especialmente valiosas para el hombre y su falta provoca diversos a su dieta. La avitaminosis, es trastornos, conocidos globalmente decir, la falta total o parcial de como avitaminosis. vitaminas, es un trastorno grave puesto que afecta de modo general a todo el metabolismo, pero también la situación contraria, o sea, el exceso de vitaminas, tiene efectos nocivos para el organismo. Las distintas vitaminas tienen una composición y unas propiedades químicas muy diversas, aunque de un modo general se pueden diferenciar dos clases principales. Por un lado están las hidrosolubles, si son solubles en disolventes acuosos, y por el otro las liposolubles, si pueden disolverse en grasas o en disolventes orgánicos. puede ser con respecto al sustrato (con lo que sólo pueden actuar con un sustrato concreto) o a la reacción (pudiendo provocar entonces únicamente una determinada reacción).
194
BIOQUÍMICA
Microfotografías de varias vitaminas: de arriba abajo, A, B1, B6, B12, C, D y P. De composición muy variable, las vitaminas se necesitan en pequeñas cantidades, pero la mayoría sólo pueden obtenerse con el alimento.
na B12, que es imprescindible para la formación de los glóbulos rojos y para la conducción nerviosa, aparece en los huevos y en la leche. La vitamina C, que refuerza el sistema inmunológico y cuya ausencia provoca escorbuto, está presente en cítricos, hortalizas, frutas. La vitamina D, que resulta esencial para que se desarrollen los huesos y cuya ausencia provoca raquitismo, se encuentra en los huevos, mantequilla, leche, el hígado de los
peces. La vitamina K, cuya falta provoca graves hemorragias, está presente en los tomates, espinacas y coles. La vitamina P, cuya ausencia provoca la pelagra, se encuentra en el hígado, la carne, la levadura y los cítricos.
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Estas moléculas desempeñan el importante papel de ser las portadoras de la información genética de todos los organismos. Son moléculas de gran complejidad que surgen al unirse varias unidades inferiores, los nucleótidos. Cabe distinguir dos tipos principales de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico y el ácido ribonucleico.
EL ADN O ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO Este ácido nucleico se encuentra en el núcleo de todas las células eucariotas y también en el citoplasma de las procariotas, con la excepción de los virus. El ADN es un polímero de varios nucleótidos. Éstos consisten en una base (adenina, timina, guanina, citosina), un azúcar (desoxirribosa) y ácido fosfórico, que se mantienen unidos entre sí mediante grupos fosforilo. 195
BIOLOGÍA
El ADN es un polímero formado por nucleótidos, cada uno de los cuales consta de ácido fosfórico y una base que puede ser timina, adenina, citosina y guanina. La evolución ha sido posible gracias a la capacidad del material hereditario de multiplicarse y de recombinarse. El proceso de multiplicación implica la división del ADN en dos cadenas (abajo, a la derecha), sirviendo entonces cada una de ellas de molde para sintetizar la otra cadena complementaria. El ARN de transferencia (abajo, a la izquierda) es el encargado de colocar los aminoácidos en el codón correspondiente del ARN mensajero en el curso de la síntesis de las proteínas. Nótese que en el ARN el uracilo reemplaza a la timina, que es una de las cuatro bases nitrogenadas que forman el ADN.
más, que forma distintos tipos dentro de la célula. Se trata del ARN mensajero o ARNm, cuya función es la de copiar la información contenida en los cromosomas y transferirla al citoplasma; allí será leída por otro tipo, el ARNr o ARN ribosómico, que recibe este nombre por encontrarse en los ribosomas; por último está el ARN de transferencia o ARNt, que interviene de manera muy activa en el importante proceso de la síntesis de las proteínas.
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN LAS CÉLULAS
Para que tenga lugar cualquier reacción biológica es necesaria la intervención de la energía. No obstante, en estos procesos sus variaciones son escasas y se la utiliza para establecer enlaces químicos. Las reacciones destinadas a producir energía constan de varias etapas intermedias, siendo el compuesto intermediario más importante el ATP. Para poder utilizarla después se recurre a una reacción de hidrólisis, que lo que hace es romper los Molécula de ARN de transferencia enlaces, y de este modo se la Parte de la molécula que se une al aminoácido
Timina
Adenina
Citosina
Guanina
La estructura del ADN es la de una doble hélice formada por dos caGuanina denas, que están una en sentido Citosina opuesto a la otra y que son comUracilo plementarias. La especial imporAdenina tancia que posee el ADN radica en su calidad de portador de la información genética, es decir, de los genes. Estos últimos son pequeños fragmentos de esa cadena.
Par de bases
Anticodón Nueva molécula de ADN
EL ARN O ÁCIDO RIBONUCLEICO Su estructura es muy similar a la del ADN aunque con dos pequeñas diferencias. Por un lado está el azúcar, que es ribosa en lugar de desoxirribosa, y por el otro las bases, que llevan uracilo en lugar de timina. Otras diferencias con respecto al ADN es que no se dispone formando hélices y, ade-
Nueva hebra o copia complementaria
196
Doble hélice desdoblada
BIOQUÍMICA
vuelve a liberar. La energía que se produce en el interior de las células se emplea en toda una serie de reacciones bioquímicas que constituyen la base de la vida del organismo. Se denomina endergónicas a aquellas reacciones que necesitan el aporte de energía. Entre las principales se cuentan las siguientes: la síntesis bioquímica, que es la fabricación de las proteínas, los ácidos grasos, los ácidos nucleicos, lípidos, etc., el proceso de ósmosis para el transporte activo de sustancias a través de la membrana celular, el trabajo mecánico que se realiza durante la contracción muscular, la producción de electricidad para conducir los impulsos nerviosos, y la producción luminosa para emitir luz, como hacen, por ejemplo, las luciérnagas, entre otras muchas reacciones. Las reacciones energéticas más importantes que tienen lugar en el interior de las células son las oxidaciones y las degradaciones, que veremos a continuación.
los enzimas hay otras sustancias que participan en las oxidaciones celulares, tales como los citocromos, la vitamina C y la vitamina K. Todas estas reacciones se producen en el interior de las mitocondrias. Durante las oxidaciones se producen enlaces ricos en energía. Otra reacción muy importante para numerosos seres vivos es la oxidación de la hemoglobina, que se produce en el interior de la sangre. Cuando la sangre pasa a través de los alvéolos pulmonares, la hemoglobina se oxida en presencia de oxígeno, con lo cual lo fija, y después, cuando llega a los tejidos, se reduce desprendiéndose del oxígeno que lle-
Las células de todos los organismos necesitan energía, aportada por los alimentos (arriba), para poder llevar a cabo las reacciones metabólicas que les hacen funcionar, como el movimiento (centro) o la emisión de luz (sobre estas líneas).
Respiración O2
CO2
Pulmones
LAS REACCIONES DE OXIDACIÓN
Corriente sanguínea
Este tipo de reacciones químicas, las oxidaciones celulares, consisten en transferir hidrógeno y electrones desde un compuesto al oxígeno, es decir, que el compuesto pierde átomos de hidrógeno. Este proceso es lo que se conoce generalmente como oxidación. Las reacciones de este tipo tienen lugar siempre en presencia de un enzima, que este caso es una deshidrogenasa. Además de
CO2
El oxígeno que inspiramos llega a las células, donde oxida distintas sustancias para producir energía a partir de glucosa.
O2
Respiración celular Las células musculares transforman el azúcar + O2 en energía + CO2
Glucosa
Oxígeno molecular
Dióxido de carbono
Agua Energía
197
BIOLOGÍA
Las proteínas aportadas por los alimentos se degradan a compuestos más simples para obtener de ahí nuevas sustancias, pero también se producen residuos tóxicos, que cada grupo animal elimina de forma distinta.
Proteínas
Ácidos nucleicos
Aminoácidos
Bases nitrogenadas —NH2 Grupos amino
vaba y cargándose con anhídrido carbónico. Al pasar de nuevo por los pulmones, se desprende de este último y vuelve a oxidarse. De este modo es como tiene lugar el importante proceso de intercambio de gases.
La mayoría de los animales acuáticos, incluidos muchos peces
Aves, insectos, muchos reptiles, caracoles terrestres
C
2
Urea
O
C— N H N H
C— O
—
C
H N
—
— NH2 O — C— NH
C—
—
HN
—
—
— —
—
O
—
Conocido también como ciclo de los ácidos tricarboxílicos, este importante proceso conNH3 siste en una cadena de reacciones bioquímicas que tienen lugar en el Amoníaco interior de las mitocondrias, y cuyo objetivo fundamental es quemar los carbonos para transformarlos en anhídrido carbónico. Su gran importancia se debe a que los distintos metabolitos producidos por la célula experimentan una degradación, con lo cual pueden aprovecharse para los procesos de actividad celular, constituyendo así el denominado metabolismo intermedio, en el que se libera energía y al mismo tiempo se sintetizan varias sustancias importantes para todo el organismo.
Mamíferos, anfibios, tiburones, algunos peces óseos
— —
UNAS REACCIONES DE GRAN IMPORTANCIA: EL CICLO DE KREBS
Ácido úrico
EL METABOLISMO Al conjunto de las reacciones y transformaciones químicas que tienen lugar en el interior del organismo vivo y que hacen posible su funcionamiento, se le conoce por el nombre de metabolismo. De una manera general, cabe distinguir en él dos fases principales: una primera fase, la etapa de síntesis o de construcción, que se llama anabolismo y una segunda, de degradación o de destrucción, que recibe el nombre de catabolismo.
LAS DEGRADACIONES Se trata de reacciones energéticas que se producen dentro de las células. La degradación de las osas (glucosa, fructosa, sacarosa, galactosa) hace que se libere una cierta cantidad de energía. Este proceso tienen lugar en el interior de las mitocondrias de las células en aquellos órganos que requieren grandes cantidades de energía, como es el caso de los músculos. Además de participar en la síntesis de las proteínas, los aminoácidos igualmente se degradan y pierden el grupo amino, produciendo al final amoníaco, que debe eliminarse del organismo.
i AUTOEVALUACIÓN
8. ¿Cuáles son las principales diferencias entre los glúcidos y los hidratos de carbono? 9. ¿Qué nombre reciben los compuestos formados por un grupo carboxilo, una amina y un radical variable?: 10. Los tres tipos de ARN son: el ARN de transferencia, el ARN ribosómico y … 11. ¿Cuál es el compuesto intermediario más importante en las reacciones destinadas a producir energía?
198
GENÉTICA Y HERENCIA Un avance fundamental de la biología en el siglo XX fue la genética, y con ella, la herencia. La genética estudia el modo de transmitirse los caracteres, las leyes que rigen esa transmisión y cuál es el material genético en el que se realizan esos procesos, así como todos los fenómenos interrelacionados, tanto en el individuo como en la población.
EL GEN
EL CÓDIGO GENÉTICO
La base material que hace posible que se transmitan los caracteres de una generación a la siguiente recibe el nombre de gen, que lleva la información dentro del cromosoma en forma de una secuencia de ADN. Cabe distinguir entre las células diploides, que poseen dos copias de cada gen y que son las que constituyen la mayor parte de los tejidos del individuo, y las haploides, que sólo presentan una copia y que son las encargadas de la reproducción, como los gametos. Dentro del gen se distinguen varias unidades:
Constituye el conjunto de todas instrucciones que darán lugar a un ser vivo. Se define como la clave necesaria para poder transmitir la información genética en el curso de la síntesis de las proteínas. Esta clave es una combinación de cuatro bases, las cuatro que constituyen el ADN o el ARN, dependiendo del tipo de organismo, y que cuando se combinan se forman los veinte aminoácidos esenciales. Todas estas instrucciones se codifican en grupos de tres nucleótidos, que se conocen como tripletes. La combinación de esos 3 nucleótidos da 64 posibilidades distintas, es decir, más de las necesarias para crear todos los aminoácidos. Los tripletes constituyen la unidad de codificación y cada uno de ellos recibe el nombre de codón. No todos los codones codifican aminoácidos, pues hay algunos que actúan como «signos de puntuación» para el có-
Cistrón. Es la unidad funcional del cromosoma. Contiene por consiguiente la totalidad de la información necesaria para poder sintetizar una determinada proteína, es decir, que es la secuencia de nucleótidos de ADN, o de ARN en algunos virus, que codifica una proteína. Recón. Es la unidad genética de recombinación, o sea, la porción más pequeña de un cistrón con la capacidad de intercambiarse mediante recombinación genética. Mutón. Es la unidad de mutación, o sea, la porción más pequeña de un cistrón que puede dar lugar a una mutación.
Microfotografía de cromosomas en estado de máxima espiralización (izquierda) y composición atómica de la doble cadena de ADN (derecha). Los nucleótidos que lo forman se agrupan en tríos llamados tripletes, que combinados dan lugar a los veinte aminoácidos esenciales para la síntesis de las proteínas.
199
BIOLOGÍA
El código genético (lenguaje de la vida) constituye el conjunto de instrucciones para sintetizar proteínas. La combinación de tres de las cuatro bases disponibles codifica los 20 aminoácidos, pero al haber 64 posibilidades, hay aminoácidos codificados por más de una combinación.
CÓDIGO GENÉTICO SEGUNDA BASE U UUU
C Phe
UUC U
UUA
Ser
UGU
Cys
UGC
U C
UAA
Stop
UGA
Stop
A
Stop
UGG
Trp
G
CUU
CCU
CAU
His
CGU
CUA
AUC
CCC Leu
Ile
AUA AUG*
UCA
Tyr
CCA
CAC
CGC
CAA
CGA
CAG
ACU
AAU
ACC
AAC
AGC
AAA
AGA
Thr
ACG
GUU
GCU
GAU
GCC
GAC
GUG*
Val
GCA GCG
Ala
GAA
C Arg
CGG Asn Lys
AAG
GUC GUA
Gln
CCG
ACA Met
Pro
U
AGU
AGG Asp Glu
GAG
Ser
• Cada aminoácido está codificado por un conjunto de 3 bases. • Un aminoácido puede estar codificado por más de un codón, como la prolina, que está codificada por los codones CCU, CCC, CCA y CCG. • La lectura del código se realiza sin saltos, es decir, de una manera continua. • El código genético es universal, lo que quiere decir que tiene la misma validez para todos los seres vivos, bien sean virus, bacterias, procariotas o eucariotas.
U C A
Arg
G
GGU
U
GGC
C
GGA
Gly
GGG
ABREVIATURAS: Ala Alanina Gly Glicina Pro Arg Arginina His Histidina Ser U Uracilo Asn Asparagina Ile Isoleucina Stop C Citosina Asp Ácido aspártico Leu Leucina Thr A Adenina Cys Cisteína Lis Lisina Trp G Guanina Glu Ácido glutámico Met Metionina Tyr Gln Glutamina Phe Fenilalanina Val *Estas dos ternas sirven para iniciar la cadena polipeptídica (GUG sólo en organismos procariotas)
digo, mientras que otros sirven de elementos de inicio o de finalización del proceso. El código genético posee unas características que le definen con gran precisión y que garantizan su funcionamiento en todos los organismos:
A G
TERCERA BASE
PRIMERA BASE
UAC UAG
AUU
G
UAU
UCC UCG
CUG
A
UCU
G
UUG
Leu
CUC C
A
A G Prolina Serina Punto Treonina Triptófano Tirosina Valina
EL GENOMA Se define como tal al conjunto de todo el material genético de una especie. Constituye una información completa sobre las instrucciones para la formación de cualquier ser vivo y para algunos organismos, como por ejemplo Escherichia coli, Drosophila melanogaster, etc., se conoce ya la secuencia completa de su genoma. En febrero de 2001 se dio a conocer la secuencia del genoma humano, constituido por unos 3.000 millones de pares de nucleótidos integrantes de unos 35.000 genes. Una vez identificada la función de esos genes será posible conseguir importantes avances en el tratamiento médico de las enfermedades hereditarias o cuyo origen se base en alteraciones de la información genética y en la expresión de los genes.
200
GENÉTICA Y HERENCIA
2500·106
2000·106
1500·106
La clonación existe en la naturaleza como un modo de multiplicación normal en organismos inferiores. La clonación artificial de organismos superiores, como la de la oveja Dolly, realizada por el Dr. Ian Wilmut (1997) fue posible gracias al conocimiento de su genoma.
500·106 Colibacilo
Levadura común
Levadura málica
Nematodo
Mosca del vinagre
Ratón
Primates
1000·106
0
Aunque el código genético que rige la información hereditaria es el mismo para todos los organismos, el genoma de cada especie es distinto, siendo mayor en el caso de los grupos superiores que alcanzan una mayor complejidad.
LA INGENIERÍA GENÉTICA Bajo esta denominación se designa una serie de técnicas y manipulaciones con las que es posible aislar un gen concreto y trasladarlo a un entorno genético distinto al original. De esta manera, el gen se expresará del modo deseado por el manipulador y no según la célula de la que procede. Así, por ejemplo, se puede aislar el gen de una proteína de interés comercial, pero que la célula sólo produce en cantidades muy pequeñas, y trasladarlo a un entorno en que dicha proteína va a ser sintetizada de forma masiva.
El conocimiento del genoma de una especie permite realizar en ella una serie de manipulaciones con distintos fines, conocidas en general como ingeniería genética. En la fotografía, obtención de una variedad de arroz más productivo y resistente a los parásitos. 5 Oveja clónica. Genéticamente idéntica a la donante de ADN.
1 Oveja a clonar. Se extrae una célula de la glándula mamaria y se aísla su núcleo donde está incluida toda la información genética (ADN).
2 Oveja donante de óvulo. Se extrae un ovocito de otra oveja adulta y se vacía de ADN.
Ovocito
Ovocito sin ADN 4 Oveja madre de alquiler. El embrión es insertado en otra oveja en la que se llevará a cabo la gestación.
Núcleo de la misma Célula de la mama
3 Mediante una descarga eléctrica se consigue la fusión del núcleo extraído de la primera oveja y del ovocito de la segunda. La célula empieza a dividirse y se convierte en embrión.
201
BIOLOGÍA
dio entre los dos de P, pero si uno de los caracteres tiene más fuerza (dominante), el carácter que presenta F1 será el dominante. Segunda ley de Mendel. Al cruzarse individuos de la generación F1 entre sí, los individuos resultantes (generación F2) no son iguales, sino que presentan los caracteres de la generación P según la proporción 1:2:1. Se la conoce tamGeorge Mendel tuvo el acierto de utilizar caracteres bién como la ley de la segregasimples en sus experimentos, ción de los caracteres. Esto LAS LEYES lo que le permitió descubrir significa que si A es el carácter doDE LA HERENCIA, las leyes básicas de la herencia, a pesar de minante y a el recesivo, por la priO DE MENDEL desconocer las características mera ley, del cruce de AA y aa rey la naturaleza del material sultan individuos Aa. Cuando se George Mendel descubrió a mediahereditario. cruzan éstos entre sí, se obtiene la sidos del siglo XIX una serie de comportaguiente proporción 1AA:2Aa:1aa. mientos en el modo de transmitirse los Tercera ley de Mendel. Al cruzarse individuos caracteres, que resumió en tres principios o leyes que difieren en más de un carácter, cada uno de que llevan su nombre. Estas leyes explican la maéstos se hereda independientemente de los resnera en que se transmiten los caracteres de una tantes. Se la conoce también como la ley de la generación a otra. Se desconocían todavía en combinación independiente. esos años aspectos tan importantes como la naturaleza del material hereditario y el modo cómo se producen, por ejemplo, las mutaciones, pero Mendel tuvo el acierto, o la suerte extraordinaria, LOS CROMOSOMAS de elegir unos caracteres sencillos que le permitieron establecer los fundamentos de la genética. El aspecto del cromosoma es el de una estructura Las tres leyes establecidas por Mendel son: de aspecto filamentoso y lo constituye una matriz en la que se dispone la doble hélice del ADN. DePrimera ley de Mendel. Al cruzarse dos indivipendiendo del estado fisiológico en el que se enduos puros (generación P) que difieren en un cacuentre la célula, es decir si está en reposo o en rácter, todos los descenConstricción dientes (generación F1) secundaria son iguales. Se la conoEnrollamiento de los nucleofilamentos ce también como la ley de la uniformidad. Si los dos caracteres tienen la misma fuerza (codominantes), el carácter de F1 es intermePara manipular los genes se recurre a muy diversas técnicas. Entre ellas se cuentan las de provocar mutaciones mediante radiaciones, sustancias químicas, choque térmico, etc., obtener fragmentos de ADN, introducir el ADN de una especie en el de otra, etc, así como la clonación, el uso de ADN recombinante o la transferencia génica.
Centrómero
Los cromosomas son visibles durante la fase de división de la célula, apareciendo como dos brazos, llamados cromátidas, que se unen por un punto, el centrómero. Los brazos pueden presentar estrangulaciones (constricciones secundarias) en posición variable e internamente constan de estructuras alargadas, formadas por el enrollamiento del ADN alrededor de las histonas.
Cromatidio
202
Generación paterna Herencia intermedia en el dondiego de noche
Generación filial F1
Generación filial F2
Segunda ley de Mendel Generación filial F1
Generación paterna
Generación paterna R
R
b
B
B B Herencia con dominancia en el dondiego de noche
r
R
b b r
r
B b R
r
Gametos haploides
Gametos originales por la F1
Generación filial F1
B
B r
b
R
r
b R
rrBB
RrBB
rrBb
RrBb
RrBB
RRBB
RrBb
RRBb
rrBb
RrBb
rrbb
Rrbb
RrBb
RRBb
Rrbb
RRbb
B r
Primera ley de Mendel
B
Las leyes de Mendel explican la manera de transmitirse los caracteres en las diversas generaciones. La primera ley nos indica que si hay dominancia, los descendientes de la primera generación son todos iguales. La segunda ley explica que los pares de alelos se transmiten de modo independiente unos de otros, siempre que se encuentren en cromosomas distintos. La tercera ley establece que si dos caracteres no se encuentran en el mismo par de cromosomas, se transmiten independientemente entre sí.
R
b r
b R
Tercera ley de Mendel
203
F1
F2
BIOLOGÍA
Microfotografía de algunos cromosomas, visibles gracias a haberse espiralizado en su totalidad en el curso de la mitosis.
proceso de división, los cromosomas pueden estar dispersos por el núcleo, con lo cual no es posible visualizarlos, o bien aparecer espiralizados formando una especie de bastoncillo perfectamente visible. Cada cromosoma está formado por dos mitades, que reciben el nombre de cromatidios, y hay además una constricción, llamada centrómero, que los divide en dos brazos que pueden ser iguales, desiguales, uno de ellos casi inexistente, etc. Los cromosomas aparecen formando parejas y su número es una característica fija para cada especie de organismo. Por ejemplo, en los seres humanos el núcleo de todas las células contiene 23 pares de cromosomas.
LA HERENCIA DE LOS CARACTERES
mosomas; 2) los genes se disponen linealmente sobre el cromosoma; 3) la recombinación de los genes se corresponde con el intercambio de fragmentos cromosómicos. Para que la información genética se conserve de una a otra generación, los cromosomas recurren a la mitosis, mientras que para que se transmita de una a otra generación recurren al proceso de la meiosis. Se trata de dos tipos de división que veremos a continuación.
Mitosis Interfase
Profase Centriolo Membrana nuclear
Microfotografía de varios cromosomas durante la mitosis, que se encuentran en distintas fases en cada una de las células.
Núcleo
Metafase
Fases de la mitosis. El objetivo de la mitosis es producir nuevas células con la dotación cromosómica completa de la célula original.
Los estudios de citología de comienzos del siglo XX fueron decisivos para ir perfilando el modo en que los caracteres se transmiten. Sus resultados dejaron constancia de un hecho, de que los procesos hereditarios están estrechamente relacionados con todo lo que tiene lugar en el núcleo. Además, pronto quedó claro que eran determinados componentes del núcleo los que desempeñaban ese papel esencial, en concreto los cromosomas. De este modo se formuló finalmente la teoría cromosómica, que puede resumirse en los siguientes puntos: 1) los genes se encuentran sobre los cro-
Cromosomas
Cromátidas
Huso cromático
Células hija
204
Anafase
Telofase
GENÉTICA Y HERENCIA
LA MITOSIS Y LA MEIOSIS
Meiosis
Fases de la meiosis. La meiosis es un proceso de una doble división durante el cual los cromosomas sólo se duplican una vez, con lo que las células resultantes poseen una única dotación genética que se combinará con la de otra célula reproductora para dar un cigoto con nuevas características.
Profase Bivalentes
La mitosis consiste en un proceso mediante el cual el núcleo se duplica, dividiéndose en dos. Se produce en el curso de la diviLeptoteno sión celular y su objetivo es conservar el material genético en las sucesivas generaciones. Antes de la mitosis, los cromosomas se han duplicado en el interior del núcleo. Cabe distinguir cuatro faPaquiteno ses en este proceso. En la profase los cromosomas se espiralizan, con lo cual se vuelven visibles, y desaparece la membrana nuclear. En la metafase los cromosomas se colocan en la zona ecuatorial y en Diacinesis los polos aparecen dos estructuras en forma de estrella, que producen filamentos que se enganchan en los cromosomas. Durante la anafase, en cada polo se dispone la mitad de los cromosomas. Por Anafase último, con la telofase los cromosomas se desespiralizan, con lo cual ya no resultan visibles, y se forma una nueva membrana nuclear. Cada célula hija resultante de la división contiene así el mismo número de cromosomas que tenía la célula madre. La otra división, meiosis, consiste en esencia en dos divisiones mitóticas. Sin embargo, sólo tiene lugar una duplicación de los cromosomas y, por consiguiente, las células hijas tendrán la mitad de cromosomas que la célula madre. Se garantiza de esta manera que al combinarse dos células (los gametos), la célula que resulta (el cigoto) posee el número de cromosomas que es característico de la especie. Ambas divisiones se producen en fases distintas de la actividad celular. Así, la meiosis tiene lugar únicamente durante el proceso de formación de los gametos en aquellos organismos que se repro-
Cigoteno Quiasmos
Diploteno
ducen sexualmente, mientras que la mitosis tiene lugar cada vez que una célula se divide para dar lugar a nuevas células hija en el curso del proceso normal de crecimiento.
LOS ALELOS, LA ALTERNATIVA DE LOS GENES Los caracteres transmitidos por los genes no son únicos Metafase sino que pueden presentarse en forma de dos o más alternativas, cada una de las cuales recibe el nombre de aleTelofase lo. Un gen paterno y uno materno, que proceden de los cromosomas homólogos, constituyen cada uno de los pares de alelos. Dentro del cromosoma, cada uno de los genes ocupa una posición concreta que recibe el nombre de locus (plural: loci). Desde el punto de vista genético, el cromosoma se comporta como si estuviera formado por una serie de genes colocados linealmente de manera tal que los genes de los cromosomas homólogos ocupan un mismo locus.
GENOTIPO Y FENOTIPO Dos conceptos importantes para definir las características de un individuo son el genotipo y el fenotipo. Se define al primero como el conjunto de todos los alelos propios del individuo, o sea, su constitución genética. Por el contrario, se entiende por fenotipo el conjunto de caracteres que pueden observarse en un organismo debido a los caracteres hereditarios y a la influencia de su entorno, es decir, del medio ambiente. Resumiendo,
205
BIOLOGÍA
Genes del abuelo
Genes de la abuela
Genes de la abuela
Genes del abuelo
puede decirse que el fenotipo es la manera de manifestarse el genotipo.
ORGANISMOS HOMOCIGOTOS Y HETEROCIGOTOS
Óvulo
Óvulo
Espermatozoide
Espermatozoide
El padre recibe la mitad de los genes de cada uno de sus progenitores
Espermatozoide
La madre recibe la mitad de los genes de cada uno de sus progenitores
Cada uno de los caracteres que presenta un individuo viene determinado siempre por un par de alelos, uno de ellos procedente del padre y el otro de la madre. Los alelos que corresponden a un mismo carácter se simbolizan mediante la misma letra. Estos alelos pueden determinar una misma característica o una característica diferente, Así, por ejemplo, para el carácter del color del pelo, 1.ª generación F1
Óvulo
El nieto recibe la cuarta parte de los genes de cada uno de sus abuelos
N
n
N
Nn
Nn
Nn
n
Nn
2.ª generación F2
En las especies con reproducción sexual, entre ellas la humana, la combinación de dos dotaciones genéticas distintas origina nuevas características y contribuye a la diferenciación y evolución de la especie.
n
N
Diagrama del efecto de la dominancia, por el que unos caracteres se imponen frente a otros a la hora de expresarse. Así el color negro es dominante frente al blanco, por lo que en la primera generación todos los descendientes serán negros.
206
NN
N
Nn
nN
n
nn
GENÉTICA Y HERENCIA
A
A: cuerpo de color normal N: alas normales O: cuerpo de color oscuro P: alas vestigiales
A
N
N
A
O
N
P
O
O
P
P
O P
A O P
O
N
P
A
O
A O N P
O
O
P
P
P
A
O
A
O
O
P
P
N
P
P
1
O
N
Filiación
A N
O
N
P
Experimentos realizados en la mosca del vinagre para estudiar el modo de transmitirse los caracteres. Para comprobar el ligamento completo de caracteres (izquierda) puede hacerse un retrocruzamiento entre un híbrido y un individuo de la generación parental. El mismo experimento (derecha) muestra el resultado cuando el cruce se realiza con un individuo hembra de la generación híbrida.
O P
O P
A
O
O
O
A
O
O
O
N
P
P
P
N
P
P
P
Cada uno
Cada uno
41,5 %
8,5 %
Retrocruzamiento entre un híbrido macho y una hembra de la generación parental
Filiación
2
Retrocruzamiento con una hembra de la generación híbrida
podemos tener dos alelos iguales que determinen el color castaño, representándolo entonces mediante dos letras iguales (C C), o bien alelos diferentes, determinando uno de ellos el color castaño y el otro el color rubio, siendo entonces en este caso la representación (C c). Se dice que dos individuos son homocigotos para dicho carácter cuando tienen los alelos formados por dos genes iguales (C C), mientras que se les define como heterocigotos si presentan alelos formados por genes diferentes (C c).
de este modo el pelo castaño lo representaríamos por C y el pelo rubio por c. Este modo de expresarlo nos permite saber que la característica «pelo castaño» domina sobre la de «pelo rubio». No obstante, no siempre resulta así. Hay otros casos en los que genes de un mismo par de alelos poseen la misma fuerza o capacidad de expresión y el resultado es entonces una interacción entre ambos. Esta modalidad de herencia se conoce como herencia intermedia y para representarla se utilizan dos letras diferentes y en mayúscula.
LOS CARACTERES DOMINANTES Y LOS RECESIVOS
LA DETERMINACIÓN DEL SEXO
Cuando en un mismo individuo se encuentran dos alelos distintos, uno de éstos puede neutralizar los efectos del otro e impedir que llegue a manifestarse. A este fenómeno se le conoce con el nombre de dominancia. En ella hay un alelo, el dominante, que impide que se manifieste el otro, al que se llama recesivo. Para expresar la dominancia de un alelo se utiliza una letra mayúscula, que designa entonces al alelo dominante, mientras que para el alelo recesivo se recurre a la misma letra aunque en minúscula;
El hecho de que un individuo presente uno u otro sexo una vez alcanzada su madurez sexual depende de la presencia de dos cromosomas particulares conocidos como cromosomas sexuales o heterocromosomas. Esta determinación puede llevarse a cabo mediante distintos sistemas, que son característicos de los diversos grupos de organismos. En un gran número de animales, entre los que se incluye la especie humana, los cromosomas se-
207
BIOLOGÍA
el sexo del individuo viene determinado por las condiciones del medio, la dieta, factores externos, etc.
LA TRANSMISIÓN DE LOS CARACTERES LIGADA AL SEXO Cuando en los cromosomas sexuales existen genes que determinan caracteres somáticos, es decir, no sexuales sino del soma o cuerpo, se transmiten conjuntamente con los genes que determinan el sexo. Estos genes se encuentran localizados
Hombre
Mujer
44 + XY
44 + XX
Los 46 cromosomas de la especie humana se agrupan en 23 pares, que constituyen el genoma de nuestra especie. De ellos, 22 pares son los cromosomas somáticos y un par los cromosomas sexuales (XX en la mujer y XY en el hombre). 22 + X
22 + Y
xuales se presentan en la modalidad XX/XY, de forma que las hembras son homocigóticas (XX) y los machos heterocigóticos (XY). Todos los restantes cromosomas, llamados autosomas, son iguales en ambos 44 + XX sexos. Por consiguiente, los machos pueden producir dos tipos distintos de espermatozoides: unos que llevarán el cromosoma X, que al fusionarse con el cromosoma femenino durante la fecundación dará lugar a una hembra, y otros el cromosoma Y, que durante la 16 + X fecundación generará un macho. En varios grupos de insectos, como por ejemplo, en las abejas y las hormigas, existen otros sistemas de determinación del sexo. En estas especies las hembras 8+X llevan dos cromosomas X, es decir, son XX, mientras que los machos son haploides y sólo presentan un cromosoma X siendo, por consiguiente, X0. Esto sucede así porque los machos se forman a partir de huevos que no han sido fecundados. 16 + XX Además de estos sistemas hay que señalar también que hay muchas especies en las que
208
22 + X
La mayoría de animales poseen, como el hombre, un par de cromosomas, el X y el Y
44 + XY
16 + XX
8-
8+X
16 + X
Los insectos, como el saltamontes, sólo poseen el cromosoma X
El sexo del individuo viene determinado por los cromosomas sexuales, aunque éstos no son los mismos en todos los grupos animales.
GENÉTICA Y HERENCIA
te de la condición del padre, es por lo general en el cromosoma decir, que sea normal o daltóX, puesto que el cromosoma Y nico. desempeña un papel de escasa relevancia en la herencia somática. La casi totalidad de los genes ligados al sexo presentan un INTERCAMBIOS alelo dominante que es el que CROMOSÓMICOS expresa la forma normal del caDE TIPO NO MEIÓTICO rácter, aunque en los machos es suficiente con que se presente Por regla general, en casi todos un alelo recesivo para que se los organismos existe una alterexprese el carácter. nancia entre las dos fases, la Se denomina portadoras a haploide, que presenta n cromoUna de las pruebas utilizadas para aquellas hembras que poseen somas, y la diploide, que lleva determinar si una persona es o no un alelo recesivo y otro domilos 2n cromosomas que son cadaltónica es este test. Las personas nante. Se caracterizan porque racterísticos de la especie. El inafectas de daltonismo puede que no sean capaces de averiguar el número su fenotipo no presenta el catercambio de cromosomas tiene inserto en la imagen. rácter en cuestión, pero sí lo tielugar en el curso de la meiosis. nen en su genotipo y se lo transmiNo obstante, este intercambio de tirán a la descendencia masculina, por lo que la cromosomas puede producirse en algunos casos probabilidad de que los machos puedan expresar también fuera de la meiosis. Entre estos casos caese carácter es del 50 %. Un buen ejemplo de esbe citar en particular los siguientes: te fenómeno es el daltonismo, una enfermedad que hace que la persona que la padece sea incaRecombinación mitótica. Proceso consistente paz de distinguir algunos colores. El gen que deen un intercambio de segmentos del cromosoma termina el daltonismo está ligado al cromosoma mientras que se divide el núcleo de las células soX, por lo que XD representa un rasgo normal, es máticas. Esta modalidad es característica de algunas especies de hongos. decir, el que no presenta la enfermedad, mientras Recombinación bacteriana. Proceso especial de que Xd expresa la enfermedad. El alelo para la reproducción durante el cual dos individuos se normalidad es dominante. Una mujer que presenponen en contacto y establecen ente XDXd será normal, pero será tre ellos un puente de citoplasma, portadora del gen. Un hijo de Recombinación experimentada en el interior de una bacteria quedando así comunicados sus esta mujer que herede el gen infectada por dos tipos distintos espacios interiores. A través de del daltonismo tendrá XDY de de bacteriófagos. Los virus este puente se intercambian porgenotipo y presentará la enliberados tras la infección muestran caracteres mixtos. ciones de cromosomas. Se obserfermedad, independientemenPlacas grandes Placas claras
Placas pequeñas Infección doble
Recombinación
209
Placas turbias
Entrada en el ciclo de virulencia
Fagos normales
va en numerosas bacterias. Transducción. Sistema de transferencia genética bacteriana en el que los genes pasan de una bacteria a otra por medio de un virus especial, un bacteriófago, sin que ambas bacterias tengan que entrar en contacto, como sucede en la recombinación bacteriana.
Proceso de la transducción, característico de numerosas bacterias y para el cual se requiere la participación de un virus.
Fagos transductores
Célula bacteriana transductora Leu-
Célula bacteriana lisogénica Leu+
BIOLOGÍA
Infección de una célula bacteriana Leu (mutante deficitario)
Una de las técnicas utilizadas en ingeniería genética es la introducción de material genético de una especie en otra distinta con el fin de modificar sus características.
Extracción del ADN de células humanas del segmento que contiene el gen que produce la sustancia deseada
Fertilización en laboratorio de un óvulo de una vaca sacrificada
LAS MUTACIONES Cualquier alteración experimentada por un gen se define como mutación. Ésta puede producirse de una manera espontánea o bien ser provocada por un agente externo. Si no existieran las mutaciones no habría especiación, ya que en tal caso los caracteres se transmitirían indefinidamente sin que sufrieran cambios. Las mutaciones provocadas vienen causadas por agentes muy diversos, entre los cuales cabe destacar las radiaciones, el calor, los productos químicos, etc. En el proceso no sólo resultan afectados los genes sino que también los cromosomas y
Introducción del gen humano en el ADN del óvulo de la vaca, con indicaciones para que se produzca en la leche
Implantación de los óvulos manipulados en el útero de otra especie vacuna, para que una vez fertilizados, alguno de sus descendientes tenga en la leche la sustancia deseada
210
GENÉTICA Y HERENCIA
Metafase
Anafase
Mutación producida por un fallo en la anafase I de la meiosis, cuando los cromosomas del bivalente no se separan. El resultado es que unos núcleos tendrán tres cromosomas (trisomía) en lugar de dos y otros sólo uno (monosomía). La trisomía en el hombre provoca alteraciones graves, como el síndrome de Down con un cromosoma 21 en exceso en el núcleo (abajo).
Metafase II
Anafase II
Núcleo hijo
el propio genoma pueden experimentar una mutación. Por consiguiente, cabe hablar también de mutaciones génicas, cromosómicas y genómicas. Las mutaciones génicas consisten en la alteración de la estructura molecular del ADN de un gen. Pueden ser puntuales, en el caso de afectar únicamente a una porción muy pequeña de la cadena, o bien segmentales, que es cuando incluyen una sección completa del ADN. Las mutaciones cromosómicas se definen como alteraciones en el modo de disponerse los genes en el interior del cromosoma. Estos cambios pueden consistir en la pérdida de un gen, en su duplicación o en el intercambio de posición con otro gen distinto. Las mutaciones genómicas se producen en el número de los cromosomas, si bien los genes de éstos no experimentan ningún cambio. Uno de los casos más habituales es el de la poliploidía, consistente en una multiplicación de la dotación cromosómica típica de la especie.
i AUTOEVALUACIÓN
12. El conjunto de alelos propios de un individuo se conoce como … 13. ¿Qué ley de Mendel dice que al cruzarse entre sí dos individuos de la generación F1, presentan los caracteres de la generación P en la proporción 1:2:1? 14. Las mutaciones que afectan a la estructura normal de los cromosomas se denominan: a) mutaciones genómicas, b) mutaciones cromosómicas, c) mutaciones génicas.
211
LA REPRODUCCIÓN La existencia de todo organismo es limitada, puesto que de lo contrario la superpoblación conduciría al agotamiento de todos los recursos y con ello a la desaparición de la vida sobre el planeta. Por consiguiente existe la muerte, lo que conlleva la desaparición del individuo salvo que exista algún mecanismo para que persistan sus características como especie. Ese mecanismo es la reproducción.
TIPOS DE REPRODUCCIÓN Para que la especie como tal sobreviva a lo largo del tiempo es imprescindible que sea capaz de reproducirse, ya que aunque el individuo muere, sus características continúan presentes en otro nuevo. Este proceso tiene una relevancia tal que está totalmente justificada la idea de que uno de los fines principales que hacen que cualquier organismo viva, crezca y se desarrolle es para poder reproducirse y generar nuevos individuos de su propia especie que lleven sus características. En esencia la reproducción consiste en una división celular, por la que a partir de una célula original se producen una serie de células hijas. El modo de reproducirse de los organismos unicelulares es muy sencillo. Sin embargo, en el caso de los pluricelulares se requieren estructuras y elementos adicionales para conseguir que al final se obtenga un nuevo individuo con las características de sus antecesores. La información sobre los procedimientos que deben seguirse y el modo en que éstos deben desarrollarse viene recogida en el material genético, que se encuentra en el ADN de los cromosomas. Mediante la mitosis y la meiosis se garantiza que esta información se transmita de manera exacta de unos individuos a otros. Por último, cabe distinguir dos modalidades fundamentales de la reproducción: la asexual y la sexual. La primera es
Plantas
Animales
Paramecio Conjugación Alga unicelular Bipartición
Levadura
Esponja
Gemación Brotes adventicios Hidra
Regeneración Óvulo Espermatozoide
Cigoto Rizoma
División celular
Bulbo
Evolución del embrión
Estolón
Esqueje Regeneración
Reproducción sexual
Diversas formas de reproducción: por simple división de la célula en los organismos unicelulares, y por vía asexual y sexual en los pluricelulares.
212
LA REPRODUCCIÓN
Distintas modalidades de la reproducción asexual de los protistas.
División (ameba)
División longitudinal (flagelados)
Gemación celular (Spirochona gemmipara)
característica de los organismos inferiores, aunque también lo tienen algunos superiores, mientras que la segunda es exclusiva de estos últimos.
LA REPRODUCCIÓN ASEXUAL Este tipo de reproducción se da fundamentalmente en los organismos inferiores, y presenta como una de sus características exclusivas el hecho de que los descendientes de un mismo individuo son todos iguales. Esto se debe a que la información genética que se les ha transmitido es única y procede exclusivamente de ese antecesor. Los individuos obtenidos de este modo se conocen como clónicos. La ventaja principal para una especie que se reproduce asexualmente es la velocidad con la que tiene lugar el proceso. Gracias a esta celeridad, si después de un período en que las condiciones ambientales han sido desfavorables, causando así un descenso drástico de la población, llega otro que resulta apto para esa especie en concreto, su población se recuperará con gran rapidez en muy poco tiempo. Un buen ejemplo de este tipo de reproducción es el que presentan las dis-
tintas especies que forman las poblaciones de organismos unicelulares del plancton, que pueden experimentar crecimientos explosivos. Este proceso, no obstante, tiene algunas desventajas importantes. Una de las principales es que al ser todos los individuos de la población iguales unos a otros, la evolución, que actúa sobre pequeñas variaciones alrededor de un patrón común, carece de la posibilidad de aproveDivisión múltiple (Tripanosoma lewisi) char las ventajas adaptativas fruto de una modificación. En consecuencia, esa especie no dispone de la capacidad adaptativa que le permita evolucionar. Esta es una de las razones por las que este tipo de reproducción se limita en general a los grupos inferiores, que son incapaces de desarrollar estructuras orgánicas más complejas.
LAS MODALIDADES DE LA REPRODUCCIÓN ASEXUAL Existen varias formas de división celular disponibles para los organismos que se reproducen asexualmente. Algunas especies lo hacen sólo mediante una de estas modalidades, pero hay otras que pueden reproducirse por varias de ellas en función de las circunstancias. Bipartición. La totalidad de la célula madre se divide en dos, por lo cual desaparece como tal. El resultado es la aparición de dos células hijas, que después crecen hasta formar dos nuevos individuos normales. Este proceso es común entre organismos tales como los protozoos y las bacterias.
213
La bipartición es una modalidad de reproducción frecuente entre los organismos unicelulares, como en el caso de esta bacteria de la fotografía que está dividiéndose en dos.
BIOLOGÍA
Escisión múltiple. En este caso el núcleo de la célula experimenta de modo sucesivo numerosas mitosis y después de cada una de ellas los distintos núcleos resultantes se rodean de una porción del citoplasma. Este proceso se da en muchos protozoos. Su resultado final es la aparición al mismo tiempo de un gran número de células hijas. Gemación. Es la reproducción por medio de yemas, es decir, de grupos de células generados en determinadas zonas del cuerpo del organismo. Llegado un cierto momento, la yema se desprende e inicia su vida libre. Después va desarrollándose hasta originar un nuevo individuo. Esta modalidad es la habitual en muchos invertebrados marinos coloniales, como los corales, que de esta forma van ampliando el número de individuos y dan lugar a una colonia. Esporulación. Consiste en la utilización de esporas como medio reproductor. Éstas son células rodeadas de una cubierta protectora, por lo cual poseen una notable capacidad de resistencia. De este modo pueden sobrevivir en condiciones muy adversas y cuando cambian las condiciones, volviéndose más favorables, reanudan su actividad, germinan y dan lugar al nuevo individuo. Multiplicación vegetativa de las plantas. En esta modalidad
no intervienen células sexuales sino únicamente las somáticas. Es un tipo de multiplicación que se encuentra en los tubérculos, los bulbos y los rizomas.
LA REPRODUCCIÓN SEXUAL Tipo de reproducción por medio de unas células especializadas, los gametos, producidas por dos individuos distintos de sexo contrario. A los gametos masculinos se les denomina espermatozoides en los animales y anterozoides en el caso de las plantas, mientras que los femeninos se conocen como óvulos en los animales y oosferas en las plantas. El gameto de origen masculino suele ser de dimensiones pequeñas y para desplazarse de manera activa dispone de uno o más flagelos. Por el contrario, el gameto de origen femenino es casi siempre de mayor tamaño e inmóvil puesto que carece de flagelos. La fusión de ambos gametos da origen a un cigoto y a este proceso, que es uno de los rasgos característicos de la reproducción sexual, se le conoce con el nombre de fecundación. El aspecto de mayor relevancia de este proceso es la denominada cariogamia, es decir, la fusión del núcleo masculino y del femenino. Durante ella, el material genético procedente de cada uno de los progenitores se mezcla con el otro, dando como resultado un individuo que presenta unas características heredadas de los dos progenitores, aunque formando una combinación única.
Selección de organismos que se reproducen exclusiva o principalmente por vía asexual: de arriba abajo, protozoos ciliados del género Vorticela, zooides de coral, helecho que muestra los soros con esporas en la cara inferior de los frondes y el jacinto azul, una planta bulbosa muy utilizada en jardinería.
En la reproducción sexual, los espermatozoides compiten entre sí por lograr introducirse en el interior del óvulo y fecundarlo. El proceso no es exclusivo de los animales, sino que se da también en los vegetales.
214
LA REPRODUCCIÓN
En la mayoría de los peces, como el salmón, la fecundación es externa. La hembra deposita los huevos en un sustrato y después el macho los cubre con esperma.
Espermatozoides Núcleo
Vitelo
Óvulo
LA FECUNDACIÓN La fecundación es el acto por el cual dos núcleos se fusionan cuando se unen los gametos procedentes de cada uno de los sexos distintos. Constituye el proceso fundamental de la reproducción sexual y se da tanto en los animales como en las plantas. Hay que distinguir dos tipos: la fecundación externa y la fecundación interna. En ambos casos el problema radica en que previamente a la fecundación el gameto masculino, que es capaz de desplazarse con ayuda de su flagelo, ha de desplazarse hasta el femenino, que es inmóvil. Para hacerlo, no obstante, es imprescindible que lo haga en un medio líquido.
Zona pelúcida Vitelo
Cono de contacto
Membrana vitelina
Cavidad vitelina
Grano de polen
Esquema de la fecundación. Gran número de espermatozoides se agrupan sobre el óvulo. Uno de ellos consigue llegar a la superficie del vitelo, formándose entonces una membrana vitelina que impide la entrada de los restantes.
Germinación del polen Estambres Extremo del tubo polínico
Estigma
Núcleos espermáticos Estilo
Óvulo
Tubos polínicos en crecimiento
Micrópilo
CARPELO Tubo polínico
La fecundación en las plantas adquiere a menudo una gran complejidad, ya que en ellas también se da el fenómeno de la doble fecundación, muy importante en la formación del fruto de las fanerógamas.
Flor
Primina Sinérgidas Secundina
Saco embrionario
Oosfera Núcleos polares
Estilo Penetración de un tubo polínico en el saco embrionario Oosfera
Ovario
Antípodas Óvulo
215
Núcleo secundario del saco embrionario
BIOLOGÍA
En la fecundación externa los individuos liberan los gametos al medio líquido, ya sea el mar o aguas interiores, dejando que el azar sea el que se encargue de unir los de sexo contrario para que se fusionen. No obstante, para aumentar las probabilidades de un encuentro de este tipo, es frecuente que estos organismos se desprendan de sus gametos al mismo tiempo, o en períodos muy breves. Este tipo de fecundación es habitual entre numerosos organismos acuáticos. La fecundación interna es una adaptación ante el reto del medio terrestre y es propia de los animales que lo habitan. Dado que los gametos masculinos no pueden desplazarse en ausencia de agua, estos animales han tenido que desarrollar estructuras especiales, mecanismos apropiados e incluso modifi- Ectodermo caciones de su conducta para facilitar y hacer posible esa fusión. En muchos insectos, por ejemplo, el macho produce una especie de paquete con los gametos en su interior y lo coloca a la entrada de los órganos reproductores de la hembra, o incluso Endodermo en su interior. En otros muchos casos, el macho ha desarrollado órganos concretos, como el pene Blastóporo u otra estructura copuladora, destinados a llevar directamente los gametos masculinos al interior Mesodermo del cuerpo de la hembra. El proceso de introducción es lo que se conoce como la cópula.
Huevo
2.a división
1.a división
Mórula
Blastóporo
Blástula
Iniciación de la gástrula Surco neural
Ectodermo Esbozo mesodérmico
Endodermo
Gástrula
Neurulación incipiente
Tubo neural Cuerda dorsal
En los animales terrestres, la fecundación es interna, como en el caso de estas tortugas, que a pesar de ser marinas y no salir casi nunca del agua tienen su origen en tierra firme, como los restantes tetrápodos.
LA EMBRIOGÉNESES: EL DESARROLLO DEL EMBRIÓN Inmediatamente después de realizada la fecundación, la siguiente fase consiste en un complejo proceso que conducirá a la aparición de un nuevo individuo. En este fenómeno cabe distinguir tres etapas fundamentales que son la segmentación, la gastrulación y la organogénesis.
Tubo digestivo
Neurulación avanzada
Néurula
Una vez fecundado el óvulo, éste comienza a dividirse sucesivas veces hasta adquirir el aspecto de una mora (la mórula). Se forma después la blástula con una cavidad central, tras lo cual comienza el proceso de desarrollo embrionario.
En la segmentación la célula resultante del óvulo fecundado comienza a dividirse en células hijas más pequeñas. Esto hace que el volumen total se mantenga igual al de la célula inicial y que el resultado final sea una acumulación de pequeñas células que recibe el nombre de mórula por su parecido a una mora del moral. Una vez completada esta serie de divisiones, las células emigran hacia la superficie dejando un hueco en el interior, que recibe el nombre de blastocele, y el conjunto así formado se conoce entonces como blástula, finalizando de este modo esta primera etapa del proceso.
216
LA REPRODUCCIÓN
Existen distintos tipos de huevo entre los animales, que se diferencian por la cantidad y la disposición del vitelo. Dependiendo de estas reservas alimenticias, el desarrollo posterior sigue un curso distinto, que es característico de los diferentes grupos zoológicos. El resultado en todos los casos es una blástula, que en ocasiones dispone de una cavidad interior y en otras no, en función del tipo de huevo.
Segmentación
Blástula
Huevo heterolecito
Huevo oligolecito
Huevo centrolecito
En la gastrulación las células de la blástula situadas en uno de los polos, el llaHuevo telolecito mado polo vegetativo, comienzan a crecer hacia el interior de la cavidad. Esto hace que se formen dos capas de células unidas entre sí y que engloban en su interior una nueva cavidad, conocida como gastrocele o arquénteron. Dependiendo del tipo de huevo, la gastrulación puede tener lugar en las diferentes especies de formas distintas, dependiendo del tipo de huevo. Se denomina ectodermo a la capa de células que queda hacia el exterior, mientras que recibe el nombre de endodermo el conjunto de las que quedan en el interior. Muchas veces, entre ambas capas queda un hueco, que se denomina celoma primario. La estructura que resultante de este proceso se llama gástrula. La gastrulación finaliza en el mismo instante en que entre esas dos capas de células comienza a formarse una nueva capa denominada mesodermo. La organogénesis es el proceso de formación de los distintos tejidos y órganos que constituirán el embrión y el futuro individuo desarrollado. Se inicia con la aparición del mesodermo y finaliza una vez que el embrión tiene formados todos los órganos necesarios para la vida.
riores ya estaban formados. Hay distintos tipos de huevos, en función de la cantidad y distribución del vitelo, pero de modo más general podemos hablar de dos grandes grupos, por un lado los huevos en mosaico y por el otro los de regulación. En los huevos en mosaico cada una de las células que forman la mórula dará origen a una determinada parte del cuerpo del adulto, o a un órgano concreto. Este tipo de desarrollo lo encontramos, por ejemplo, en los nematodos. En los huevos de regulación, en cambio, la determinación de los futuros órganos o partes corporales no tiene lugar hasta la fase de gastrulación y, además, para que se produzca es necesaria la presencia de determinadas sustancias químicas. Este tipo de desarrollo lo encontramos, por ejemplo, en los mamíferos y otros vertebrados.
EL DESARROLLO LARVARIO
TIPOS DE HUEVOS Aunque la gástrula contiene toda la información necesaria para generar un individuo con las características propias de la especie a la que pertenece, los esbozos fundamentales que dictarán todos los pasos poste-
En la mayoría de las especies animales la totalidad del proceso de desarrollo se realiza en el interior del huevo, que aparece protegido con una cáscara rígida, elás-
En numerosos animales, el desarrollo del embrión tiene lugar dentro del huevo, del que eclosiona la larva. Ésta es móvil y se transformará después en el individuo adulto.
217
BIOLOGÍA
La metamorfosis es un proceso característico en el desarrollo de muchos artrópodos (desarrollo indirecto) y conlleva una serie de cambios muy importantes para el animal. Aquí vemos la complicada metamorfosis de una mariposa.
tica o blanda. Cuando se llega a un estado de desarrollo en que es posible la vida independiente, el huevo eclosiona y aparece una forma llamada larva. Por lo general, la larva suele ser de vida libre, algo muy importante en el caso de los animales sésiles, como por ejemplo, los mejillones, pues de este modo es posible la dispersión de la especie. En lo que respecta al modo de desarrollarse la larva, hay dos formas principales. El desarrollo es directo cuando la fase larvaria es muy reducida o casi inexistente, siendo entonces el nuevo individuo muy similar al adulto, aunque de menor tamaño. Se habla de desarrollo indirecto, en cambio, cuando la fase larvaria es muy prolongada e incluso pasa por varias etapas. En este caso es frecuente que el individuo sea muy diferente al animal adulto. La metamorfosis es un proceso más o menos complejo que marca el paso de la fase larvaria a la adulta. Desaparece por completo la estructura de la larva, disolviéndose sus tejidos, y se forman los elementos propios del adulto, adquiriendo el animal también las funciones necesarias para esta nueva fase. En algunos grupos, como sucede en el caso de los crustáceos, la metamorfosis es gradual, y los cambios se suceden sin modificaciones bruscas. En otros, sin embargo, es completa, como es característico en la mayoría de los insectos.
En los mamíferos no existe la fase larvaria y las crías, como éstas de lirón, nacen directamente en un estado de desarrollo variable, dependiendo de cada especie.
presenta también en algunas otras especies. Así, se denomina vivíparos a los animales en los que todo el desarrollo del embrión tiene lugar en el interior del cuerpo de la hembra. Una forma especial es el caso de los animales ovovivíparos, en los que el desarrollo del embrión se realiza en el interior del cuerpo de la madre, aunque rodeado por las membranas del huevo, que se rompen durante la eclosión, por lo que la hembra pare crías vivas.
i AUTOEVALUACIÓN
15. ¿Son siempre iguales todos los descendientes de un individuo que se reproduce asexualmente? 16. La fecundación externa es exclusiva de los tetrápodos acuáticos.Verdadero o falso. 17. Según la cantidad y la disposición del vitelo existen cuatro tipos de huevo: a)…., b) heterolecito, c) telolecito, d) …
EL EMBRIÓN El proceso final de la embriogénesis en los animales que paren crías vivas es el embrión. Es característico sobre todo de los mamíferos, aunque se
218
LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA Muy pocas son las especies que hoy conocemos que no hayan experimentado cambios desde la aparición de la vida y se trata siempre de microorganismos mantenidos en condiciones estables a lo largo de millones de años. El resto, debido a los cambios producidos en su entorno, han ido modificándose poco a poco dando así lugar a la gran variedad de especies que hoy conocemos.
LAMARCKISMO Y DARWINISMO Aunque algunos filósofos de la antigüedad ya lo habían manifestado de modo puntual, fueron Buffon y Lamarck quienes, a finales del siglo XVIII y principios del XIX, admitieron que la única manera de explicar la gran diversidad de los seres vivos era mediante un cambio progresivo. Charles Darwin, en su teoría de la evolución, lo expresó ya en 1871 de una manera definitiva y, a pesar de algunos aspectos que Darwin no pudo explicar debido a que aún no se conocían ciencias como la genética, sus ideas han quedado demostradas gracias a los grandes avances científicos del siglo XX. La teoría evolutiva siguió dos líneas que aun apuntando una misma idea básica dan una interpretación distinta y que los avances posteriores han permitido dilucidar. Se trata del lamarckismo y el darwinismo, opuestos al creacionismo. El lamarckismo, representado por Jean Baptiste Lamarck, mantiene la idea de que los organismos se adaptan a los cambios del medio modificando sus órganos, y que esas modifi-
Primeras generaciones
caciones se deben al uso o al desuso del órgano. Cuvier, representante del creacionismo, se opuso a esa y afirmaba que la especie es una unidad inmutable y que los cambios que se observan son la consecuencia de la creación de una nueva especie que sustituye a otra. Con el descubrimiento de la genética se ha podido demostrar que la hipótesis del lamarckismo no se corresponde con la realidad pues los cambios somáticos, o sea, los que tienen lugar en el cuerpo, no afectan a los caracteres genéticos, es decir, que no se transmiten a la descendencia a través de la reproducción. Así, el uso o la atrofia de un órgano sólo afectan al individuo que los experimenta pero no a sus genes, por lo que no se transmiten a sus descendientes. El darwinismo es la teoría de la evolución expuesta por Charles R. Darwin y planteada al mismo tiempo por Alfred Wallace. Admiten am-
Medianas generaciones
219
Según la teoría de Jean Baptiste Lamarck (izquierda), el cuello de las jirafas se fue alargando progresivamente para alcanzar el alimento, y ese alargamiento heredado se transmitió de una generación a otra.
Últimas generaciones
BIOLOGÍA
Primeras generaciones
Medianas generaciones
la capacidad de poder cruzarse para dar una descendencia fértil. Cuando esa separación se hace insuperable impidiendo el cruce, con el transcurso del tiempo aparecen nuevos cambios y las diferencias entre las poblaciones se hacen cada vez mayores. Finalmente,
Según la teoría de Charles Darwin (derecha), sólo sobrevivieron las jirafas de cuello más largo puesto que podían alimentarse, y ese carácter genético se transmitió a los descendientes.
bos que la diversidad existente en los animales, las plantas y los restantes organismos se debe a un proceso evolutivo y lo basan en tres conceptos fundamentales: 1) la especie no es inmutable, es decir, que se encuentra sometida a cambios, 2) la selección natural rige la evolución favoreciendo a los mejor adaptados y 3) los cambios que resultan favorables para la especie se transmiten a su descendencia.
LA ESPECIE Y SU EVOLUCIÓN El concepto de especie es uno de los que sirve de base para los estudios evolutivos. Se la define como un conjunto de individuos o de poblaciones parecidos y que poseen la capacidad de cruzarse entre sí dando una descendencia fértil. Cuando en unas poblaciones más o menos separadas de una misma especie se producen determinados cambios aparecen distintas razas o variedades, que conservan
Últimas generaciones
Los pinzones que Darwin encontró en las islas Galápagos le sirvieron para confirmarle en su idea de la evolución.Todos tuvieron que proceder de una misma especie procedente del continente americano, pero su aislamiento en las islas dio lugar a las distintas especies que hoy se conocen.
Pico fino y puntiagudo para cazar insectos
Pico afilado para semillas e insectos
Islas Galápagos
Pico utilizado para sujetar una espina de cactus y coger con ella insectos
Pico curvo y amplio para hojas y brotes
Pico corto para cazar insectos grandes
Pico ancho y fuerte para semillas grandes
220
LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA
La presencia de órganos análogos en especies distintas, como las patas excavadoras del topo y del alacrán cebollero, se debe a una evolución convergente. La necesidad de excavar galerías impone unas condiciones estrictas y la evolución da órganos parecidos a partir de otros muy diferentes, como la pata de un vertebrado y el apéndice de un invertebrado.
Topo
Alacrán cebollero
llega un momento en que la adaptación de una raza a las condiciones particulares de su medio favorece que aparezcan mutaciones o que otras que se mantenían latentes se manifiesten, y que estos cambios afectan a la capacidad de recombinación de su material genético. El resultado es que el cruce entre dos individuos de esas razas extremas deja de ser fértil. A consecuencia de estos cambios progresivos han aparecido dos nuevas especies a partir de una original. El proceso recibe el nombre de especiación y gracias a él, en el curso de la historia geológica de nuestro planeta la vida ha ido desarrollándose y dando lugar a la gran diversidad de organismos.
llones de años dieron lugar a unas formas que se extinguieron al cabo de cierto tiempo, como los dinosaurios, a otras que han persistido hasta la actualidad, como es el caso de las tortugas y los lagartos, y otras más que se transformaron en precursores de formas nuevas, como las que fueron antecesores de las aves o los mamíferos. Todo este proceso puede representarse como un árbol ramificado.
CONVERGENCIA ADAPTATIVA
PRUEBAS A FAVOR DE LA EVOLUCIÓN A pesar de tratarse de un fenómeno de extraordinaria duración, fuera del alcance de la observación directa por parte del hombre, hay numerosas pruebas que hablan a favor de la idea de que a partir de un individuo ancestral común han ido evolucionado todas las especies que conocemos en la actualidad. Entre estas pruebas confirmando la teoría evolutiva se cuentan principalmente la radiación y la convergencia adaptativas.
RADIACIÓN ADAPTATIVA Se entiende por tal el proceso de proliferación simultánea de diversas formas y de su adaptación al entorno en que viven. Cuando éste experimenta una modificación, brinda al mismo tiempo nuevas posibilidades que aunque sean negativas para determinadas especies, serán favorables para otras, que entonces se multiplican hasta que el medio seleccione estas últimas, que están mejor adaptadas, y elimine a las restantes para las que el cambio fue desfavorable. Así por ejemplo, a partir de un reptil primitivo, las sucesivas mutaciones producidas a lo largo de mi-
Proceso de diversificación de grupos distintos que al encontrarse en unas condiciones ambientales que imponen unas condiciones particulares, desarrollan unas soluciones que resultan ser análogas. Discurre paralelo a la radiación adaptativa a partir de un organismo original y en él es el medio el que limita el número de soluciones posibles. Un ejemplo nos lo brindan un mamífero, el topo, y un insecto, el alacrán cebollero, que como adaptación a la vida subterránea han desarrollado unas extremidades de forma aplanada que resultan apropiadas para excavar. Otro caso extremo es el de los delfines, que compiten ventajosamente con los peces en el medio acuático al haber transformado sus patas en aletas y desarrollado una aleta caudal.
221
i AUTOEVALUACIÓN
18. ¿Qué teoría defiende que la selección natural favorece a los organismos mejor adaptados? 19. Darwin afirmó que la especie es una unidad inmutable. Verdadero o falso. 20. El estudio de los a)… en las islas b)… confirmó a Darwin la teoría de la evolución.
CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS La vida es un fenómeno único, que ha adoptado las formas más diversas. Este hecho plantea grandes dificultades a la hora de estudiarla, lo que ha obligado a que los científicos intenten ordenar esas formas para poder abarcarlas en sus investigaciones. Sólo mediante una clasificación es posible establecer ese orden.
SISTEMA NATURAL DE CLASIFICACIÓN
Todas estas extremidades pertenecen a tetrápodos, animales con cuatro extremidades. En las aves y los murciélagos dos de ellas se han transformado en alas, mientras que en las ballenas se han convertido en aletas.
Cuando se emprendieron las primeras expediciones científicas que recorrieron los más alejados rincones del planeta, se constató la enorme diversidad existente en los seres vi- Murciélago vos. Ante tal cantidad de información se vio la necesidad de ordenarla. Karl von Linné, un biólogo sueco también conocido como Linneo, realizó a mediados del siglo XIX la primera clasificación rigurosa. En ella no sólo dio un nombre a cada uno de los animales y plantas que se conocían hasta entonces, sino que estableció un conjunto de unidades, denominadas grupos taxonómicos, donde se iban incluyendo todos esos organismos agrupándolos por las semejanzas de su estructura. El trabajo de Linneo fue de gran importancia porque estableció por primera vez unas normas generales para denominar a todos los seres vivos, es decir, su nomenclatura. No obstante, la clasificación linneana de los grupos taxonómicos se basaba en el estudio de características que muchas veces eran superficiales, por lo que cometió algunos errores, debidos también al estado de la ciencia y de los conocimientos en su época.
LA CLASIFICACIÓN ACTUAL DE LOS SERES VIVOS Los seres vivos se clasifican hoy en función de sus relaciones de parentesco evolutivo. Estas relaciones se
Caballo
Ave
Saurio volador
Pingüino
establecen en función de diversos criterios y de la aplicación de diferentes métodos. Uno de los procedimientos más útiles consiste en comparar la forma y la función de los órganos de las distintas especies. De este modo, por ejemplo, se estudian las extremidades de diferentes vertebrados con distintos tipos de locomoción, pero se constata entonces que todas esTopo tán formadas por los mismos huesos, es decir, los brazos del hombre, las alas de las aves, las patas anteriores de un caballo y las aletas de las focas y delfines, si bien han experimenBallena tado modificaciones concretas para cumplir funciones diferenKarl von Linné o Linneo, creador del tes: manipular, volar, sistema de correr y nadar, resclasificación de los Lagartija pectivamente. A esseres vivos. Hombre
222
CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS
LAS CATEGORÍAS TAXONÓMICAS Categoría
Escarola
Perro
Hombre
Reino División/filum Subdivisión/subfilum Clase Subclase Orden Familia Género Especie Subespecie
vegetal
animal
animal
traqueofitas
cordados
cordados
espermatofitas
vertebrados
vertebrados
angiospermas
mamíferos
mamíferos
dicotiledóneas
euterios
euterios
sinandrales
carnívoros
primates
compuestas
cánidos
homínidos
Cichorium
Canis
Homo
endivia
familiaris
sapiens
crispum
diversas razas
sapiens
te tipo de órganos de idéntica estructura pero que tienen una función distinta se les denomina órganos homólogos. El estudio de los órganos homólogos, por tanto, permite clasificar dentro de un mismo grupo taxonómico a especies que los presentan y que demuestran entonces poseer el mismo origen evolutivo. El plan de organización de los seres vivos permite también clasificarlos. Este plan no es más que el modo en que se estructura la materia que forma ese ser vivo y es el que determina las características más importantes de su anatomía, como por ejemplo el nivel de complejidad, la simetría de su cuerpo, el número de cavidades internas, el tipo de segmentación, etc.
TAXONOMÍA La unidad fundamental de clasificación es la especie, definida como un conjunto de seres vivos que proceden de un antepasado común, que son parecidos en sus características estructurales y funcionales y que son capaces de cruzarse entre sí para dar una descendencia fértil. Todos los restantes taxones situados por encima de la especie son fruto de la necesidad de ordenarlos,
es decir, son artificiales y para establecerlos se acuerdan previamente determinados criterios más o menos arbitrarios, aunque debidamente justificados. De este modo se han ido creando los diferentes taxones. Agrupando un conjunto de especies que comparten determinadas características se forma un género. Varios géneros similares constituyen una familia y varias de éstas se agrupan en un orden. Después, con un rango superior están la clase y el filum (phylum) o tipo en los animales y que entre los vegetales suele ser la división. Como unidad taxonómica superior que engloba a los restantes están los reinos. A veces, las situaciones de parentesco entre distintos taxones son tan complejas que obligan a adoptar unidades intermedias que faciliten su estudio. De este modo se tienen, por ejemplo, la subdivisión, la subclase o el superorden. También dentro de la especie se han creado varios taxones de rango inferior, como son la subespecie, la variedad y la raza.
NOMENCLATURA Los distintos seres vivos están emparentados entre sí, pero en ocasiones de un modo tan estrecho que
223
BIOLOGÍA
es muy difícil encontrar características que los diferencien con la suficiente nitidez, lo que dificulta en extremo definir los diferentes taxones. Desde que Linneo estableció la primera clasificación taxonómica, ese sistema se ha ido modificando a medida que avanzaban los conocimientos científicos. De este modo, a veces se han incluido nuevas especies y otras han desaparecido al constatarse que no lo eran. Todavía hoy existen notables discrepancias entre los especialistas en la materia, lo que pone de relieve la gran dificultad de este trabajo hasta el punto que no existe ninguna clasificación de los seres vivos que sea universalmente aceptada, aun cuando las líneas generales de los grandes grupos cuenten con un amplio consenso. Las reglas creadas por Linneo para denominar las especies siguen empleándose en la actualidad. Consisten en dar a cada especie un nombre compuesto de dos partes, ambas en latín. La primera se escribe con inicial mayúscula y constituye el nombre genérico, mientras que la segunda, que se escribe en minúsculas, significa el nombre específico. Por este motivo a la nomenclatura linneana se la conoce también como nomenclatura binomial o binaria. Por ejemplo, en el caso del perro se le da la denominación de Canis familiaris, siendo Canis el nombre del género y familiaris el nombre de la especie. El nombre genérico es común a varias especies, por lo que el específico es el que permite diferenciar unas de otras. De nuevo un ejemplo con el perro: sus parientes el lobo y el chacal se denominan, respectivamente, Canis lupus y Canis aureus. Para seguir con la taxonomía del perro, diremos entonces que pertenece a la familia de los cánidos, que además de Canis incluye otros géneros, como por ejemplo Vulpes. Los cánidos, a su vez, se incluyen en el orden de los carnívoros, que pertenecen a la clase de los mamíferos, una de las que constituyen el tipo, o phylum, de los cordados. Por último, todos los cordados forman parte del reino animal.
Los herbarios y los animales disecados o las ilustraciones de los mismos, fueron el material utilizado en los museos de los siglos XVIII y XIX para clasificar los organismos vivientes.
plantas o animales, a veces de manera errónea, como es el caso de las anémonas de mar o las esponjas, que se consideraban vegetales. Entre los animales la clasificación se hacía por su aspecto, de tal suerte que las ballenas se consideraban peces. Muchos errores persistieron hasta el Renacimiento, pero los grandes avances científicos que se sucedieron permitieron ya distinguir en el siglo XIX con claridad un vegetal de un animal. No obstante, la clasificación continuó siendo una tarea muy difícil a medida que se descendía en la escala biológica, siendo difícil determinar la naturaleza de los grupos inferiores. Un caso característico es el de los hongos, pues presentan rasgos propios de ambos reinos. Para solucionar estas cuestiones, a partir de la segunda mitad del siglo XX existe un acuerdo general en ampliar a cinco el número de reinos: monera, protista, hongos, vegetal y animal. De modo tradicional, y por acuerdo tácito que facilita la labor, los cuatro primeros reinos se suelen estudiar en la botánica, mientras que el reino animal queda como dominio exclusivo de la zoología.
i AUTOEVALUACIÓN
21. Los órganos de estructura idéntica pero función distinta se denominan: a) órganos análogos, b) órganos homólogos, c) órganos equifuncionales. 22. ¿Cuáles son los dos nombres que recibe cada especie según la nomenclatura binominal? 23. ¿A qué reino pertenecen los siguientes organismos?: bacterias, ciliados, ficomicetes, briófitos, anfibios.
LOS CINCO REINOS Los conocimientos científicos de la antigüedad sólo permitían clasificar a los seres vivos como
224
CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS
CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS Reino
Dominio Procariotas
Monera
Eucariotas
Protista
Subreino Cianofitas Bacterias
Protozoos
Flagelados Sarcodinos Ciliados
Protofitas
Algas primitivas
Dinoflagelados Euglenófitos Crisófitos
Algas superiores
Clorófitos Feófitos Rodófitos
Hongos
Vegetal
Animal
División o fílum
Mixomicetes Ficomicetes Ascomicetes Basidiomicetes Deuteromicetes Líquenes
Plantas terrestres no vasculares
Briófitos
Plantas vasculares
Pteridófitos Espermatófitos
Acelomados
Invertebrados acuáticos simples (poríferos, cnidarios) Platelmintos Nemertinos Asquelmintos Acantocéfalos Endoproctos Lofoforados
Celomados protostomados
Moluscos Anélidos Artrópodos
Celomados deuterostomados
Equinodermos Cordados
225
Peces Anfibios Reptiles Aves Mamíferos