BIOLOGÍA
BIOLOGÍA GÁLVEZ GARCÍA
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GÁLVEZ GARCÍA KAREN, PH. D. UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MÉXICO TEHUACAN, PUEBLA.
EDITORIAL LIMUSA
BIOLOGÍA
A mi amada abuela, Ana Rodríguez En la vida de las personas hay situaciones que invitan a la meditación y reflexión. Esta es una oportunidad preciosa para hacerlo. Al escribir esta página quiero, más que dedicarte este libro, aprovechar la ocasión para destacar el cariño y el afecto, el amor y la ternura que contiene esta sencilla dedicatoria. Lástima que las palabras sean tan áridas e insuficientes para expresar la dimensión de ciertos sentimientos.
BIOLOGÍA PREFACIO
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n la actualidad, el hombre debe tomar muchas decisiones difíciles, en un ambiente de rápidos cambios, para preservar la calidad de vida. De ellas dependen beneficios como los patrones adecuados de alimentación, salud, espacio vital, agua y aire limpios y la dignidad y el respeto por la vida. Para satisfacer los retos de vivir en un planeta tan poblado como este, son necesarios el conocimiento de la biología y la aplicación de dicho conocimiento. Este libro se presenta los diversos modelos biológicos de manera comprensiva, considerando los aspectos complejos sin insistir en los miles de detalles de cada de uno. Para ello se estableció una estructura básica, amplia para el estudio de la biología con detalles suficiente para satisfacer las mentas inquisitivas y estimular la curiosidad e interés permanentes por el milagro de la vida. Los temas que se analizan son fundamentales para comprender la bilogía moderna, temas que los especialistas en biología, los músicos o los historiadores encontraran alguna vez en su vida. Aunque no todas las ares dela biología se estudian con algún detalle, al final de cada capítulo se dan las referencias pertinentes para un estudio más completo. La bilogía es una disciplina vasta, compleja y en un continuo cambio, sin inicio o final determinados. Ciertamente, el conocimiento de la genética ayudara a entender el desarrollo y viceversa; lo mismo puede decirse de la fisiología y la célula o de los mecanismos de control y la evolución. Sin embargo, se pude argumentar que la bilogía no se puede comprender realmente a asta no haber comprendido los fundamentos de la química. No obstante, en este libro se ha seleccionado la Ecología como tema de partida. Esto obedece a que la ecología es fundamental para la vida. También a que el concepto de Ecología es una base lógica para abordar muchos temas biológicos que cada vez son más importantes en esta era tecnológica; problemas como la
BIOLOGÍA sobrepoblación, la tensión, la contaminación y la radiación molecular. Creo que el conocimiento del ambiente ecológico es la clave de la supervivencia.es inútil estudiar las soluciones de gran alcance para la hambruna mundial, por ejemplo, sin conocer primero las bases del flujo de energía vital de las plantas al hombre, y viceversa. Después de este punto de partida ecológico, en la segunda y última parte del libro, Energética, se estudian las bases químicas y físicas de la vida y se utiliza esta información para estudiar los procesos de biosíntesis, metabolismo, funciones celulares y nutrición. La intención es que este enfoque retrospectivo ayude aclarar los conceptos y temas más difíciles. Quiero expresar mi agradecimiento a las siguientes personas que revisaron todo el texto o parte de él; a Lucero S. Solórzano Castro, de la Universidad del Valle de Tehuacán, a Viviana Yael Mendoza Rodríguez; del Tecnológico de Tehuacán; en Puebla, por ultimo a Francisco Barajas Rojas; de la Universidad del Golfo de México.
BIOLOGÍA KAREN GÁLVEZ GARCÍA
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uena persona, humilde y destacada alumna de la Universidad del Golfo de México (Tehuacán, Puebla) actualmente está estudiando la carrera de Administración de Empresas en la misma institución académica antes mencionada, hija mayor de tres hermanas, con intereses poco usuales, le encanta comer huaraches de la abuelita, y con mucha salsa picosa. Tiene un reconocimiento en aprovechamiento escolar de la Secundaria Ing. Jorge L. Tamayo, además se destacó en el área deportiva en el Bachillerato del Golfo de México Campus Tehuacán por su participación en el Torneo InterUGM 2007 donde consiguió la honorifica medalla de plata al jugar en el primer equipo de Futbol de esta institución, cabe mencionar que ahora está trabajando en una segunda edición del libro de Biología para estudiantes de Preparatoria que deseen ampliar sus conocimientos en esta materia, esta celebre estudiante nació el 21 de Enero.
BIOLOGÍA PRÓLOGO Capítulo 1 Las vías Biológicas El ambiente………………………………………9 Ecología……………………………………………11 Ecosistemas……………………………………..12 Hábitat…………………………………………….14 Ciclos de la naturaleza……………………..16 Capítulo 2 Células La célula…………………………………………..20 Funciones de la célula………………………23
Partes de la célula…………………………….25
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El Ambiente E
l ambiente es el conjunto de elementos naturales y sociales que se relacionan estrechamente, en los cuales se desarrolla la vida de los organismos y está constituido por los seres biológicos y físicos. La flora, la fauna y los seres humanos representan los elementos biológicos que conforman el ambiente y actúan en estrecha relación necesitándose unos a otros. Todas las especies vegetales son nuestras aliadas y amigas porque nos proporcionan el oxígeno que necesitamos para respirar. La fauna está conformada por la totalidad de animales que pueblan la tierra, y constituye una base segura de alimentación que nos suministra proteínas y calorías. El ser humano es un integrante más del ambiente y le corresponde relacionarse con los otros elementos en términos de mutua dependencia y complementación, sin convertirse en único beneficiario de la naturaleza.
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BIOLOGÍA Entre los elementos físicos que conforman el ambiente se encuentran: el aire, el suelo, el agua y el clima. Las personas tenemos una gran responsabilidad en cuanto al cuidado del entorno para la supervivencia de las generaciones futuras, es por ello que debemos tener una clara noción sobre lo que debemos hacer para conservarlo. Mediante la educación ambiental podemos aprender en qué consiste la conservación y cuáles son las medidas que podemos tomar para proteger el ambiente.
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Ecología E
cología es la rama de las ciencias biológicas que se ocupa de las interacciones entre los organismos y su ambiente (sustancias químicas y factores físicos). Los organismos vivientes se agrupan como factores bióticos del ecosistema; por ejemplo, las bacterias, los hongos, los protozoarios, las plantas, los animales, etc. En pocas palabras, los factores bióticos son todos los seres vivientes en un ecosistema o, más universalmente, en la biosfera. Por otra parte, los factores químicos y los físicos se agrupan como factores abióticos del ecosistema. Esto incluye a todo el ambiente inerte; por ejemplo, la luz, el agua, el nitrógeno, las sales, el alimento, el calor, el clima, etc. Luego pues, los factores abióticos son los elementos no vivientes en un ecosistema o en la biosfera. La ecología es una ciencia multidisciplinaria que recurre a la Biología, la Climatología, la Ingeniería Química, la Mecánica, la Ética, etc. La ecología es la especialidad científica centrada en el estudio y análisis del vínculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea, entendido como la combinación de los factores abióticos (entre los cuales se puede mencionar al clima y a la geología) y los factores bióticos (organismos que comparten el hábitat). La ecología analiza también la distribución y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada relación.
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ECOSISTEMAS E
l ecosistema es el conjunto de especies de un área determinada que interactúan entre ellas y con su ambiente abiótico; mediante procesos como la depredación, el parasitismo, la competencia y la simbiosis, y con su ambiente al desintegrarse y volver a ser parte del ciclo de energía y de nutrientes. Las especies del ecosistema, incluyendo bacterias, hongos, plantas y animales dependen unas de otras. Las relaciones entre las especies y su medio, resultan en el flujo de materia y energía del ecosistema.
El significado del concepto de ecosistema ha evolucionado desde su origen. El término acuñado en los años 1930s, se adscribe a los botánicos ingleses Roy Clapham (1904-1990) y Sir Arthur Tansley (1871-1955). En un principio se aplicó a unidades de diversas escalas espaciales, desde un pedazo de tronco degradado, un charco, una región o la biosfera entera del
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BIOLOGÍA planeta, siempre y cuando en ellas pudieran existir organismos, ambiente físico e interacciones.
Más recientemente, se le ha dado un énfasis geográfico y se ha hecho análogo a las formaciones o tipos de vegetación; por ejemplo, matorral, bosque de pinos, pastizal, etc. Esta simplificación ignora el hecho de que los límites de algunos tipos de vegetación son discretos, mientras que los límites de los ecosistemas no lo son. A las zonas de transición entre ecosistemas se les conoce como “ecotonos”. Diversidades alfa, beta y gama. Robert Whittaker (1920-1980), ecólogo estadounidense investigador de la sucesión y de gradientes de vegetación, propuso tres medidas de diversidad de los ecosistemas: α, β, y γ. Alfa ( α ) es la diversidad dentro de un ecosistema que generalmente se describe como el número de especies. La diversidad beta (β) incluye la comparación de diferentes ecosistemas en gradientes ambientales, por ejemplo, en una zona montañosa, en una zona costera. La diversidad beta nos indica que tan grande es el cambio de las especies de un ecosistema a otro. La diversidad gamma (γ) se refiere a la diversidad total de una región, es decir a la diversidad geográfica. En ella se suman las diversidades alfa de varios ecosistemas.
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HÁBITAT E
l hábitat es el espacio físico que ocupa una población de alguna especie animal en el mundo. Lo fundamental es que en el hábitat están dadas las condiciones para la reproducción de la especie, y por lo tanto, su supervivencia en la tierra depende de si consigue un hábitat apropiado. La teoría de la evolución contempla, de algún modo, este importante concepto, ya que las especies que no pudieron encontrar un nicho ecológico o hábitat adecuado para establecerse desaparecieron de la faz de la tierra, es decir, se extinguieron. La estructura física de la especie influye mucho a la hora de pensar cuál será su hábitat, y tiene sentido que, por ejemplo, los osos polares ―cuyos cuerpos son más resistentes al frío― puedan habitar zonas mucho más frías que los monos, que tienen una capa de piel no tan gruesa. Abarcando áreas mucho más extensas, los biomas tienen similares implicancias: ciertas bacterias que solo se encuentran en el agua difícilmente aparezcan en zonas secas. Por estas características es que los hábitats se clasifican con respecto a sus condiciones climáticas, su bioma y sus características geográficas. A partir de esto se observaron distintos patrones: a mayor altitud y mayor cercanía a los polos más frío, por lo que las especies que se encontrarán allí serán las que mejor puedan adaptarse a esas condiciones. La cuestión de la comodidad, entonces, resulta fundamental para comprender de qué forma se consolidaron las especies en los distintos lugares del planeta.
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(Elefantes en su Hábitat natural.)
A las forzosas condiciones naturales a las que las especies deben adaptarse, se agrega un factor no menor: el de la acción humana directa (como la tala de bosques), o la de ciertos fenómenos naturales, que a menudo se vinculan, al menos en parte, con tales acciones (como el cambio climático), que reducen aún más las posibilidades de sobrevivir de algunas especies. Todo ejercicio de concientización o de legislación sobre la protección de los hábitats de las distintas especies es también una protección de la especie misma, y con ello, de la vida. El día mundial del hábitat, que se celebra el primer día de octubre, tiene la intención de ejercitar sobre esa concientización.
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BIOLOGÍA CICLOS DE LA NATURALEZA
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iclo del Agua: Los principales efectos que el ciclo del agua ejerce en el hombre y en la naturaleza, se relacionan a su cualidad de ser un elemento vital, de manera que es requerida para la alimentación, servicios básicos como electricidad e higiene para el hombre y es importante también a la hora de querer regular la temperatura, ya sea elevar o disminuirla, y en el desarrollo y el crecimiento de plantas y animales en la naturaleza, además de brindarnos, junto a la vegetación, hermosos paisajes en diversos lugares del planeta.
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Ciclo del Carbono: Como efecto sobre la vida humana y la naturaleza, destaca su importancia al permitir el proceso vital de la fotosíntesis de las plantas, las cuales son utilizadas en la nutrición del hombre, también cabe mencionar, la utilización del petróleo obtenido en uno de los procesos del ciclo del carbono, como fuente de energía en diversos mecanismos inventados por el hombre.
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BIOLOGÍA Ciclo del Nitrógeno: El nitrógeno, en las distintas fases de su ciclo, es útil, principalmente en la síntesis de aminoácidos y proteínas en los seres vivos, y además, actúa como fuente de energía en algunos procesos que tienen lugar en los microorganismos
El fósforo es un elemento esencial para los seres vivos, y los procesos de la fotosíntesis de las plantas, como otros procesos químicos de los seres vivos, que no se pueden realizar sin ciertos compuestos a base de fósforo. se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos de calcio (apatita), hierro, manganeso y aluminio, conocidos como fosfatos, que son poco solubles en agua. En suelos agrícolas, está disponible en forma de iones de fosfato, su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. El ciclo del fósforo se reduce a los siguientes procesos: - Formando fosfatos: El ciclo inicia con la presencia del fósforo formando fosfatos en la corteza terrestre. - Meteorización de rocas, o sacado por las cenizas volcánicas: el fósforo queda disponible para que lo puedan tomar las plantas.
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BIOLOGÍA - Absorción por las plantas: Las plantas absorben los iones fosfato y los integran a su estructura en diversos compuestos. Sin fósforo las plantas no logran desarrollarse adecuadamente. - Lixiviación: Mediante este proceso, el fósforo es arrastrado desde las capas subterráneas al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar forma rocas que tardan millones de años en volver a emerger y liberar nuevamente las sales de fósforo. - Digestión por animales: Herbívoros: Estos toman los compuestos de fósforo de las plantas y los absorben mediante el proceso de la digestión propia de su organismo, donde juegan un rol decisivo en el metabolismo. Carnívoros: Toman el fósforo de la materia viva que consumen y lo integran a su estructura orgánica. Organismos filtradores del plancton: Una parte del fósforo que es arrastrado al mar, es absorbido por algunos peces que actúan como filtradores del plancton, cuando estos son alimento de aves, que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.
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LA CÉLULA E
s la estructura viva más sencilla que se conoce, es decir que es capaz de realizar las tres funciones vitales, que son nutrirse, relacionarse y reproducirse. Consta de dos partes que son la membrana plasmática y el citoplasma. Membrana plasmática. Es la capa que delimita la célula. Regula la entrada y salida de sustancias. Citoplasma. Es el contenido de la célula. En él se puede diferenciar un medio líquido denominado plasma o citosol y una serie de estructuras denominadas orgánulos celulares. Los principales son los ribosomas, las vacuolas, las mitocondrias, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi y, sólo en las células que hacen la fotosíntesis, también los cloroplastos.En el interior de la célula hay una o más moléculas de una sustancia denominada ADN. Se trata de unas moléculas muy alargadas, tan largas que tienen el aspecto de un hilo de coser, que contienen la información genética, es decir la información de cómo es y cómo funciona la célula. Una copia de estas moléculas se pasa a cada una de las células hijas para que puedan existir. Según que las moléculas de ADN estén dispersas en el citosol o rodeadas de una membrana especial formando una estructura denominada núcleo, se diferencian dos tipos de células: las procariotas y las eucariotas. Células procariotas. Son las células que no tienen núcleo, es decir son las que presentan su ADN más o menos condensado en una región del citoplasma pero sin estar rodeado de una membrana. El ejemplo más importante de células procariotas son las bacterias. Son células muy sencillas, sus orgánulos prácticamente sólo son los ribosomas, los mesozonas (unos orgánulos exclusivos de estas células) y algunas también tienen unos flagelos muy sencillos.
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BIOLOGÍA Células eucariotas. Son las células que tienen núcleo, es decir son las que presentan su ADN rodeado de una membrana. Tienen estructura eucariota las células de los animales, plantas, algas, hongos y protozoos. 2. La célula eucariota. Es puede definir como una estructura biológica constituida por tres partes denominadas membrana plasmática, citoplasma y núcleo, y que es capaz de realizar las tres funciones vitales. La célula eucariota es la unidad estructural y funcional de todos los organismos pluricelulares. Presenta formas y tamaños muy diferentes. Generalmente tienen una medida de unos unos 0,020 mm, algunas células eucariotas, como la yema del huevo de gallina, tienen más de un centímetro de diámetro 3. Tipo de células eucariotas. Se diferencian dos tipos principales que son las constituyen los animales y las que constituyen los vegetales.
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BIOLOGÍA FUNCIONES DE LA CÉLULA
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odos los seres vivos realizan tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Estas tres funciones se llevan a cabo en todas las células Función de nutrición La membrana de la célula pone en comunicación a ésta con el medio exterior, con el que intercambia sustancias: moléculas inorgánicas sencillas (agua, electrólitos,...), monómeros esenciales (monosacáridos, aminoácidos,...) y aun otras moléculas orgánicas (glúcidos, lípidos y proteínas) más complejas. El transporte de estas sustancias puede ser pasivo, por difusión u ósmosis, o activo, por permeabilidad selectiva de la membrana. En este último caso (imprescindible tratándose de moléculas complejas de tamaño medio o grande) el paso de sustancias requiere un gasto de energía. Otros mecanismos de transporte de sólidos o líquidos a través de la membrana son la fagocitosis y la linfocitosis. 1. Nutrición autótrofa (vegetal). Los vegetales toman materia inorgánica del medio externo, es decir, agua, dióxido de carbono y sales minerales. Estas sustancias se dirigen a las partes verdes de la planta. Allí las sustancias entran en los cloroplastos y se transforman en materia orgánica. Para ello se utiliza la energía procedente de la luz que ha sido captada por la clorofila. Este proceso recibe el nombre de fotosíntesis. Además de la materia orgánica, se obtiene oxígeno. Una parte de éste es desprendida por la planta y el resto pasa a las mitocondrias junto una parte de materia orgánica. Allí se realiza la respiración celular y se obtiene ATP necesario para todas las actividades de la célula. Además, se
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BIOLOGÍA produce dióxido de carbono que en parte se utiliza para la fotosíntesis, juntamente con el que la planta toma del exterior. 2. Nutrición heterótrofa (animal). Los animales no pueden transformar materia inorgánica en materia orgánica. Tampoco pueden utilizar la energía precedente de la luz. Por ello se alimentan siempre de otros seres vivos y así se obtienen la materia orgánica que precisan para crecer y construir su cuerpo. Al igual que en las células vegetales, una parte de esta materia orgánica es utilizada en las mitocondrias, se realiza la respiración celular y se obtiene ATP y dióxido de carbono. Éste es eliminado fuera del cuerpo del animal. *Conservación de la energía En las mitocondrias se encuentran las cadenas respiratorias que proporcionan la energía para todas las funciones vitales, energía que se acumula en vectores energéticos como el adenosindifosfato y el adenosintrifosfato (ADP y ATP, respectivamente). También se localizan en las mitocondrias los enzimas del ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, a través del cual glúcidos, lípidos y prótidos son interconvertibles –actúa, por consiguiente, como la turbina central de todo el metabolismo-, y los enzimas que oxidan las grasas en el proceso de la β-oxidación. En el espacio citoplasmático se realiza el proceso previo de la glicólisis. Función de reproducción Las plantas y los animales están formados por miles de millones de células individuales organizadas en tejidos y órganos que cumplen funciones específicas. Todas las células de cualquier planta o animal han surgido a partir de una única célula inicial (célula madre) por un proceso de división, por el que se obtienen dos células hijas. Existen dos procesos de división; mitosis y meiosis, según el tipo de célula: somáticas y sexuales respectivamente. En el primer caso las células resultantes son idénticas a la célula madre y tienen el mismo número de cromosomas que ésta; en la
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BIOLOGÍA meiosis, las células hijas son diferentes genéticamente a la madre ya que poseen la mitad de cromosomas. Función de relación Como manifestación de la función de relación, existen muchas células que pueden moverse. Este movimiento puede ser vibrátil o ameboideo. La motilidad de los organismos depende en última instancia de movimientos o cambios de dimensión en las células. Las células móviles pueden desplazarse emitiendo seudópodos (mediante movimientos ameboideas) debidos a cambios de estructura en las proteínas plasmáticas, o bien mediante movimiento vibrátil a través de la acción de cilios y flagelos. Los cilios son filamentos cortos y muy numerosos que rodean la célula, además de permitir el desplazamiento de la célula, remueven el medio externo para facilitar la captación del alimento; los flagelos son filamentos largos y poco numerosos que desplazan la célula. Las células musculares (fibras musculares) están especializadas en la producción de movimiento, acortándose y distendiéndose gracias al cambio de estructura de proteínas especiales. En la célula el movimiento se suele producir como respuesta a diversos estímulos; es decir, cambios en el medio externo (cambios en la intensidad de la luz o la presencia de una sustancia tóxica). La célula puede moverse para acercarse o alejarse, según el estímulo le resulte favorable o perjudicial. Esta respuesta en forma de movimiento recibe el nombre de tactismo. Cuando el movimiento consiste en aproximarse al estímulo, decimos que la célula presenta tactismo positivo. Si la respuesta es alejarse del estímulo, se dice que la célula presenta tactismo negativo.
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PARTES DE LA CÉLULA
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BIOLOGÍA GÁLVEZ GARCÍA KAREN La finalidad de este libro es aportar la información necesaria y comprensible para aquellos interesados en las áreas vinculadas a la biología, con la intención de ser material de apoyo para jóvenes estudiantes con grandes ambiciones educativas.
UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MEXICO LIC. ADMINISTRACIÓN DE EMPRESAS TEHUACÁN, PUEBLA. 2015