Seres vivos como sistemas by jrgg250hp

Seres vivos como sistemas El término “sistema” se aplica a muchas disciplinas. Se considera al ser vivo como un sistema. ¿Qué es un sistema? Se define como un conjunto de componentes que se relacionan entre sí y actúan de manera coordinada. Un sistema es más que la simple suma de sus partes. Cada componente cumple una función particular y es esencial para el funcionamiento del sistema en su totalidad. Por ejemplo: el cuerpo humano puede ser considerado un sistema en el cual el corazón, el cerebro y el estómago son algunos de sus componentes. Si uno de estos órganos falla, el resto del sistema se verá afectado. Cada uno de estos órganos puede ser considerado un sistema en sí mismo, ya que están formados por tejidos que actúan de manera coordinada. Cada tejido puede considerarse un sistema cuyas partes son las células que lo conforman. Las dimensiones y los límites de un sistema no existen como tal en la naturaleza, son establecidos en función del objetivo que se propone quien lo estudia. ¿Qué es un sistema abierto? El fenómeno de la vida requiere energía. Es obvio que necesitamos energía para movernos. Otras funciones como la digestión, el pensamiento, el descanso, la actividad celular, el transporte de sustancias a través de la membrana celular, la construcción de nuevas moléculas necesitan energía. No sólo de energía vive un organismo. El cuerpo de todo ser vivo está formado por materia, es decir por sustancias que constituyen las células. Las sustancias se necesitan para construir el organismo, para reparar los tejidos dañados y para reponer las células que se pierden en forma constante, porque aunque no notemos cambios en un organismo de un día al otro, sus moléculas se están renovando permanentemente. Para eso necesita “materiales de construcción”. Los organismos obtienen la materia y la energía del entorno. Al hablar de “entorno” se toma en cuenta el ambiente físico y los otros organismos que conviven e interactúan entre sí. Los seres vivos también intercambian información con el entorno. Cuando un sistema depende del entorno para mantenerse en funcionamiento se dice que es un sistema abierto. Los seres vivos son considerados sistemas abiertos.

Los cambios en el entorno afectan al sistema, a su vez el entorno es afectado por la actividad del sistema. Ejemplo la escasez de ox铆geno en el aire afecta el funcionamiento de los seres vivos. La actividad de los seres vivos incide en la composici贸n del aire.

Intercambio de materia y energía entre un ser vivo y el entorno Materia (sustancias)

Materia (sustancias)

Energía

Existen otros casos en los que entre un sistema y su entorno se intercambia solo energía (sistema cerrado), no hay ningún intercambio (sistema aislado). Ejemplo de sistema cerrado: recipiente que contiene agua, herméticamente sellado, puesto a calentar. Sistema aislado: solo existe en teoría, no se conoce en el universo un sistema que sea estrictamente aislado, excepto el Universo. Sistema en equilibrio termodinámico El Equilibrio, es un concepto fundamental de la Termodinámica. La idea básica es que las variables que describen un sistema que está en equilibrio no cambian con el tiempo. Pero esta noción no es suficiente para definir el equilibrio, puesto que no excluye a procesos estacionarios (principalmente varios procesos en que hay flujos) que no se pueden abordar con los métodos de la Termodinámica clásica. Para excluirlos se usa entonces una definición más restrictiva: un sistema está en equilibrio si, y solo si, está en un estado desde el cual no es posible ningún cambio sin que haya cambios netos en el ambiente. Siempre y cuando las variables que describen al sistema y al ambiente que interactúa con él no varíen apreciablemente en la escala de tiempo de nuestras mediciones, se puede considerar que el sistema está en equilibrio y aplicarle las consideraciones termodinámicas pertinentes.

Sistemas vivientes Las moléculas e iones que componen los seres vivos son diferentes a las de su entorno, en cuanto a tipo y concentración. Ejemplos: Paramecium en una charca, glóbulos rojos en la sangre. Sus componentes están en continua modificación (continuamente se sintetizan y degradan pequeñas moléculas, macromoléculas y complejos supramoleculares) mediante reacciones químicas que necesitan un flujo

constante de materia y energía a través del sistema. Su objetivo es mantener un estado estacionario dinámico que se encuentra lejos del equilibrio. El mantenimiento del estado estacionario requiere un aporte constante de energía. Los organismos vivos extraen energía del entorno de dos maneras: • Captan combustibles químicos (glucosa) del entorno y extraen energía de su oxidación • O absorben energía de la luz solar. La primera ley de la termodinámica es válida para los seres vivos: en cualquier proceso físico o químico la cantidad energía total del universo permanece constante, aunque su forma puede variar. Las células son transductores de energía capaces de interconvertir energía química, electromagnética, mecánica y osmótica. Los sistemas vivos, por ejemplo un pez: cambia de forma (crece), toma materiales del exterior (se alimenta) y también los expulsa. Predecir su comportamiento es complicado: su conducta variará según las circunstancias: sensación de hambre, peligro, etc. Su muerte es un hecho irreversible. Todo ser con vida constituye un sistema biótico. Los sistemas bióticos se modifican con el tiempo: un adulto y un niño reaccionan diferente. Al llegar a la muerte: los intercambios cesan, la entropía y desorganización crecerán. Los materiales que dejan libres los organismos muertos son tomados por otros que los aprovechan. Podemos compararlo a un recipiente con agua que tiene un tubo de salida y un grifo de entrada. Si la cantidad de agua que entra por el grifo es la misma que sale por el tubo, la cantidad de agua del recipiente no varía, aunque es diferente, habría un equilibrio dinámico. En realidad estamos en presencia de un estado estacionario fuera del equilibrio. El ser vivo mantiene estabilidad gracias a los procesos que realiza, a los trabajos que efectúa, y en general al intercambio constante de materia y energía que sostiene con el medio que le rodea. Cuando llega la muerte: el movimiento cesa, el trabajo se hace nulo, la desorganización aumenta y la estabilidad desaparece.

Para el caso en que las propiedades del sistema no cambien con el tiempo, pero igual existe un flujo de materia y/o energía, se dice que el sistema se encuentra en estado estacionario. Las trayectorias de un sistema que transita hacia el equilibrio pueden pasar por varios regímenes de flujo con características que facilitan o dificultan su modelaje. Una de ellas es el estado estacionario: Regímenes de estado estacionario: Son aquellos en los que las especies intermediarias se mantienen casi constantes en función del tiempo. Su duración es corta, ya que se establecen mientras la concentración de las especies iniciadoras (reactantes) no disminuye de manera apreciable y las reacciones en el sentido opuesto se mantienen también constantes o son de nivel muy bajo Sistema biótico: abierto, dinámico y heterogéneo Abierto: un ser vivo cualquiera intercambia constantemente con el exterior, materia, energía e información. Un herbívoro toma la hierba, agua y gases de su entorno. No puede subsistir estando sólo aislado. El entorno donde está el ser vivo y realiza los intercambios se le llama medio. Cuando se considera el medio de un ser vivo, hay que incluir a los otros seres vivos que lo forman. Los vegetales que proporcionan materia y energía a una vaca, están incluidos en el medio donde habita el animal. Si hacemos el estudio desde el punto de vista vegetal, la vaca pertenece al medio, ya de una parte toma la materia y energía y de la otra, sus excrementos proporcionan el abono que la planta necesita. Dinámico: ser un sistema abierto permite a los seres vivos realizar los trabajos que le son propios con una renovación de materia muy considerable, aunque imperceptible. Nuestra sangre parece siempre la misma, sin embargo los glóbulos rojos responsables del color, duran 120 días. Las sustancias que forman los huesos se renuevan constantemente, aunque el hueso no varíe ni de tamaño ni de forma. La rata sustituye las moléculas de azúcar de su sangre en 48 minutos. Sangre, huesos y azúcar se mantienen en la misma cantidad, pero constantemente renovados. Los componentes de los seres vivos son invariables aunque su renovación sea constante. Puede producir trabajo de forma continua, condición necesaria para la vida. Los sistemas bióticos presentan un equilibrio dinámico: sus componentes son idénticos cuantitativamente y cualitativamente, aunque su renovación sea constante. Heterogéneo: el pelo y las uñas son muy diferentes a los huesos. La piel no se parece a la sangre. Pelos, uñas, huesos, piel: tienen funciones muy distintas. Cada parte de un ser vivo tiene una función parcial.

Todas las funciones se combinan e integran en un sistema complejo de cambios, movimientos y trabajos que constituyen la vida. La observación de un animal o planta cualquiera, te permite distinguir unas zonas blandas y otras duras, colores diferentes, unas partes planas y otras alargadas. Son heterogéneos en su composición Los seres vivos tienen partes distintas entre si, por lo tanto son sistemas heterogéneos Ciclo de la materia, flujo de energía El intercambio de materia y energía involucra procesos complejos de transferencia y transformación en los que participan diferentes tipos de seres vivos que se relacionan entre sí y con el ambiente. La energía fluye desde el sol como energía lumínica hacia los organismos autótrofos, que la transforman en energía química en el proceso de fotosíntesis. Durante la fotosíntesis, se libera al ambiente oxígeno que lo utilizan los seres vivos aerobios, incluidos los fotosintetizadores en el proceso de respiración. Las sustancias complejas fabricadas en la fotosíntesis, a partir de sustancias simples que incorporan del ambiente, constituyen el alimento, que aporta energía y el material de construcción de los organismos autótrofos. Además son la fuente de materia y energía de los heterótrofos que se alimentan de ellos. Tanto en autótrofos como en heterótrofos las sustancias complejas se degradan a sustancias más sencillas en el proceso de respiración celular, en el cual interviene el oxígeno gaseoso que los organismos incorporan del aire. El resultado de este proceso es la liberación de energía contenida en las uniones químicas de las moléculas. Esta energía se emplea para cada una las funciones que realiza el organismo y en cada una de sus células, parte se pierde como calor que se libera al exterior. Sol (energía) Autótrofos Fotosíntesis Cloroplasto O2 CO2 + H2O

Sustancias orgánicas

O2 Energía

Mitocondria Respiración celular Heterótrofos

La energía fluye desde el sol a través de los seres vivos y parte de ella retorna al ambiente, pero los seres vivos no la pueden reutilizar. La materia se recicla.

Las sustancias simples que resultan del proceso de respiración celular retornan al ambiente, donde los organismos autótrofos la vuelven a utilizar para construir sustancias complejas, reiniciando el ciclo de la materia.

¿Cómo se aprovecha la energía solar en la tierra?

La fuente principal de energía, de la que depende la vida en la Tierra es el Sol. La mayor parte de la energía llega en forma de luz visible. Del total de la energía que llega a la superficie terrestre sólo se puede aprovechar una pequeña fracción (alrededor del 1%) en los procesos vitales. Esto es posible por la acción de algunos seres vivos (plantas, algas, algunos tipos de bacterias) que son capaces de captar la radiación solar y la transforman en otra forma de energía que pueden aprovechar los organismos. Del 99% de la energía solar restante, una parte (30%) se devuelve al espacio en forma de luz; la mayor parte es absorbida por la Tierra y transformada en calor, es decir calienta la superficie terrestre. La mayor parte del calor es absorbido por el CO2 estratoférico y re –irradiado a la tierra permitiendo mantener una temperatura media de 15ºC. Este calor causa, entre otros efectos, la evaporación de las aguas de los océanos e influye en el clima. También se relaciona con el efecto invernadero. El efecto invernadero es un fenómeno natural, sin este fenómeno la Tierra tendría temperaturas bajo cero. Los gases efecto invernadero son esenciales para la vida tal como la conocemos.

La Tierra envía esta energía al espacio en forma de radiación infrarroja o radiación térmica. La acumulación de gases de efecto invernadero bloquea la radiación infrarroja y no le permiten escapar directamente desde la superficie al espacio. La mayor parte de la energía que sale de la Tierra es transportada hacia afuera de la superficie por las corrientes de aire, escapando hacia el espacio por sobre la capa más gruesas del manto de gases de efecto invernadero. Los principales gases de efecto invernadero son: vapor de agua, dióxido de carbono, ozono, metano, óxido nitroso, los halocarbonos y otros gases industriales Transmisión de información en un organismo multicelular Las células utilizan proteínas y muchos otros tipos de moléculas para comunicarse entre sí. En un organismo multicelular, compuestos químicos secretados por las células ayudan a regular crecimiento, desarrollo y procesos metabólicos en otras células. Estamos hablando de mecanismos de señalización celular que son complejos y a menudo tienen múltiples pasos. Hormonas: son moléculas que funcionan como mensajeros químicos que trasmiten información de una parte del ser vivo a otra. Una hormona estimula a determinadas células para que produzcan o secreten determinada proteína u otra sustancia. Muchos organismos utilizan señales eléctricas para transmitir información. La mayor parte de los animales poseen sistemas nerviosos que transmiten información por medio tanto de impulsos eléctricos como de moléculas llamadas neurotransmisores. Esta información transmitida de una parte del organismo a otra es importante para regular los procesos vitales. En los animales complejos, el sistema nervioso transmite señales desde receptores sensoriales como los ojos y los oídos hacia el encéfalo, lo cual suministra al animal información acerca de su ambiente externo. La información también debe ser transmitida entre organismos. Entre los mecanismos de este tipo de comunicación están la liberación de sustancias, despliegues visuales y sonidos. Sistema complejo Un sistema complejo es un sistema compuesto por varias partes interconectadas o entrelazadas cuyos vínculos entre ellas contienen información adicional y oculta al observador. Como resultado de las interacciones entre elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas propiedades se denominan propiedades emergentes Características de los sistemas complejos El todo es más que la suma de las partes: esta es la llamada concepción holística. Como ya se ha dicho, la información contenida en el sistema en conjunto es superior a la suma de la información de cada parte analizada individualmente.

Comportamiento difícilmente predecible: Debido a la enorme complejidad de estos sistemas la propiedad fundamental que los caracteriza es que poseen un comportamiento impredecible. Sólo somos capaces de prever su evolución futura hasta ciertos límites, siempre suponiendo un margen de error muy creciente con el tiempo. Para realizar predicciones más o menos precisas de un sistema complejo frecuentemente se han de usar métodos matemáticos como la estadística, la probabilidad o las aproximaciones numéricas. Emergencia de un sistema: este concepto es el que relaciona el todo con las partes. Se llama complejidad emergente cuando el comportamiento colectivo de un conjunto de elementos da como resultado de sus interacciones un sistema complejo. Son sistemas fuera del equilibrio: ello implica que tal sistema no puede automantenerse si no recibe un aporte constante de energía. Autoorganización: Todo sistema complejo emerge a partir de sus partes y fluctúa hasta quedar fuertemente estabilizado. Esto lo logra con la aparición de toda una serie de retroalimentaciones (o realimentaciones) positivas y negativas que atenúan cualquier modificación provocada por un accidente externo. Se puede afirmar que el sistema reacciona ante agresiones externas que pretendan modificar su estructura. Tal capacidad sólo es posible mantenerla sin ayuda externa mediante un aporte constante de energía. Las interrelaciones están regidas por ecuaciones no-lineales: estas no dan como resultado vectores ni pueden superponerse unas con otras. Normalmente todas ellas pueden expresarse como una superposición de muchas ecuaciones lineales. Pero ahí reside justamente el problema. Solo se pueden tratar de forma aproximada cosa que lleva a la imposibilidad de predicción antes citada. Por otra parte tales ecuaciones suelen tener una fuerte dependencia con las condiciones iniciales del sistema lo que hace aún más difícil, si cabe, evaluar su comportamiento. Es un sistema abierto y disipativo: energía y materia fluyen a través suyo. Pues justamente un sistema complejo, en gran medida se puede considerar como una máquina de generar orden para lo cual necesita del aporte energético constante que ya hemos comentado. Es un sistema adaptativo: como ya se ha dicho antes el sistema autoorganizado es capaz de reaccionar a estímulos externos respondiendo así ante cualquier situación que amenace su estabilidad como sistema. Experimenta así, fluctuaciones. Esto tiene un límite, naturalmente. Se dice que el sistema se acomoda en un estado y que cuando es apartado de él tiende a hacer todos los esfuerzos posibles para regresar a la situación acomodada. Esto ocurre por ejemplo con el cuerpo humano que lucha constantemente para mantener una misma temperatura corporal. Un ejemplo típico de sistema complejo es la Tierra. La tierra está formada por varios sistemas simples que la describen:

.Campo gravitatorio. .Campo magnético. .Flujo térmico. .Ondas elásticas. .Geodinámica. Cada uno de estos sistemas está bien estudiado pero desconocemos la forma en que interactúan y hacen evolucionar el sistema 'Tierra'. Hay, pues, mucha más información oculta en esas interrelaciones de sistemas. Otros sistemas complejos típicos son: .El tiempo atmosférico. .Terremotos y volcanes. .Los ecosistemas. .Los seres vivos.

Bibliografía Alinorma Colección. Biología integrada 2. Octava Edición Aljanati, D; Wolooelsky, E; Tambusi Biología III. Los códigos de la vida. Ediciones Colhue 2004 Material de apoyo para el módulo de CINÉTICA RÁPIDA. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Profesor del módulo: Rogelio Rodríguez Solomon, Berg, Martin, Biología. Quinta Edición. Mc Graw Hill Biología, Anatomía y fisiología humana. Genética y Evolución. Santillana. Perspectivas 2006