Biología: La Vida en la Tierra - 9na Edición - PDF

2 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra De un vistazo Introducción a la vida en la Tierra...

2 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra De un vistazo Introducción a la vida en la Tierra Estudio de caso Los virus, ¿están vivos? 1.1 ¿Cómo estudian los científicos la vida? Los seres vivos responden a los estímulos Los seres vivos adquieren y usan materiales y energía 1 Los seres vivos crecen La vida puede estudiarse en diferentes niveles de organización Los seres vivos se reproducen Los principios científicos fundamentan toda investigación Capítulo científica Los seres vivos, en conjunto, poseen la capacidad de evolucionar El método científico es la base de la investigación científica Estudio de caso Estudio de caso continuación Los virus, ¿están vivos? Investigación científica Los experimentos controlados, antes y ahora 1.4 ¿Cómo clasifican los científicos la diversidad Los virus, ¿están vivos? La comunicación es crucial para la ciencia de la vida? EN 1996, EN GABÓN, ÁFRICA, una partida de La ciencia es un esfuerzo humano Los dominios Bacteria y Archaea están compuestos por caza descubrió un chimpancé que había muerto Las teorías científicas han sido sometidas a pruebas exhaustivas células procariontes; el dominio Eukarya está compuesto por recientemente y lo destazaron para comerlo. Al cabo células eucariontes de un mes, la aldea estaba devastada: 37 residentes, 1.2 Evolución: la teoría unificadora que cohesiona Los organismos de los dominios Bacteria y Archaea son incluidos los cazadores y muchos de sus familiares, la biología unicelulares. Casi todos los organismos de los reinos Fungi, habían enfermado. Antes de que terminara el azote, Tres procesos naturales que sustentan la evolución Plantae y Animalia son multicelulares más de la mitad de los afectados había muerto. Los aldeanos fueron víctimas de uno de los 1.3 Características de los seres vivos Los organismos de los diferentes reinos tienen maneras patógenos más terribles del planeta: el virus del Ébola distintas de obtener energía Los seres vivos son complejos, están organizados y se (véase la imagen abajo). La sola mención de la fiebre Estudio de caso continuación Los virus, ¿están vivos? componen de células hemorrágica del Ébola suscita el miedo de quien conoce Enlaces con la vida diaria El conocimiento de la los síntomas, que inician con fiebre, jaqueca, dolor Guardián de la Tierra ¿Por qué conservar la biodiversidad? biología arroja luces sobre la vida de articulaciones y músculos, así como del estómago. Los seres vivos mantienen relativamente constantes sus Estudio de caso otro vistazo Los virus, ¿están vivos? La enfermedad progresa a vómito intenso, diarrea condiciones internas mediante la homeostasis sanguinolenta y falla orgánica. Por la hemorragia interna, las víctimas sangran por todos los orificios del cuerpo. La muerte ocurre entre 7 y 16 días después del inicio de los síntomas, y no hay cura. La fiebre del Ébola es tan contagiosa y letal (tiene un índice de mortalidad de hasta 90%), que deben tomarse precauciones 1.1 ¿CÓMO ESTUDIAN LOS CIENTÍFICOS un elemento, la célula es la unidad mínima de la vida (FIGU- LA VIDA? RA 1-2). Muchas formas de vida constan de células únicas, pero extremas para que los cuidadores no tengan contacto con los líquidos corporales de los pacientes (véase la en los organismos multicelulares, las células del mismo tipo se foto de la derecha). combinan para formar estructuras llamadas tejidos; por ejem- La fiebre del Ébola es una de muchas enfermedades La vida puede estudiarse en diferentes niveles plo, las células musculares que funcionan juntas forman el tejido infecciosas causadas por virus. Se supuso por primera de organización muscular. Diferentes tejidos se combinan para formar órganos vez la existencia de virus —entidades mucho más Así como se hacen ladrillos para levantar una pared, que a su vez (como el corazón). Un grupo de órganos unidos en una función pequeñas que la mayoría de las bacterias— a finales puede ser el soporte de una construcción, los seres vivos y la ma- se llaman aparatos o sistemas (por ejemplo, el corazón es parte del siglo XIX. El nombre “virus” procede de la palabra teria inanimada tienen varios niveles de organización. Cada nivel del sistema circulatorio). Los organismos multicelulares suelen latina que significa “veneno”, en razón de sus efectos patogénicos. Algunos, como el de la viruela o la polio, constituye los cimientos del nivel superior y cada nivel superior tener varios aparatos o sistemas. están casi completamente erradicados, mientras que incorpora componentes de todos los anteriores (FIGURA 1-1). Los niveles de organización van mucho más allá de los or- otros, como los del resfriado común y la influenza, Toda la materia sobre la Tierra está compuesta por átomos ganismos individuales. En un espacio cualquiera, un grupo de permanecen con nosotros pero sólo nos debilitan de sustancias llamadas elementos, y cada cual es único. Un áto- organismos del mismo tipo (de la misma especie) constituye una temporalmente. Los virus que más preocupan a las mo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva población. Todos los organismos con características morfológi- autoridades sanitarias son el virus de inmunodeficiencia todas las propiedades de éste. Por ejemplo, un diamante es una cas, fisiológicas y genéticas similares que son capaces de reprodu- humana (VIH), que causa el sida y produce la muerte de unos dos millones de personas cada año, y el forma del elemento carbono. La unidad mínima de un diamante cirse entre sí y dejar descendencia constituyen una especie. Un virus de la influenza aviar (H5N1). Aunque el recuento es un simple átomo de carbono. Los átomos se combinan de ma- conjunto de poblaciones de diferentes especies que interactúan total de muertos por la gripe aviar a inicios de 2009 fue neras específicas para formar cadenas llamadas moléculas. Por forman una comunidad (véase la figura 1-1). Una comunidad de unas 250 personas, su índice de mortalidad es ejemplo, un átomo de carbono puede combinarse con dos de oxí- más el medio abiótico en que se encuentra constituyen un eco- mayor de 60%. A las autoridades sanitarias les preocupa geno para formar una molécula de dióxido de carbono. Aunque sistema. Por último, la superficie terrestre completa y los seres que la gripe aviar mute a una forma mucho más muchas moléculas simples se forman espontáneamente, los seres vivos que moran en ella forman la biosfera. infecciosa que cause una epidemia mundial. vivos elaboran moléculas muy grandes y complejas. El cuerpo de Los biólogos trabajan con los distintos niveles, dependien- A juzgar por las desgracias que causan, los virus tienen un éxito arrollador. Infectan toda forma de vida los seres vivos —los organismos— está compuesto de moléculas do del tema que investiguen. Por ejemplo, para averiguar cómo sobre la Tierra y son las partículas infecciosas que más complejas llamadas moléculas orgánicas, lo que significa que digiere el antílope su comida, un biólogo podría estudiar los ór- abundan en el planeta. Los virus se propagan de un contienen una estructura de carbono a la cual se une por lo me- ganos del aparato digestivo del animal o, en un nivel inferior, las organismo a otro, se reproducen fácilmente y mutan. nos algo de hidrógeno. células que revisten el conducto digestivo. Si se profundiza, un in- Esta tendencia a mutar les sirve para evadir nuestros Aunque los átomos y las moléculas constituyen los bloques vestigador podría examinar las moléculas biológicas depositadas intentos por crear vacunas que los combatan. A pesar de construcción de la vida, la verdadera cualidad de la vida surge en el aparato digestivo y que descomponen lo que come el animal. de esto, la mayoría de los científicos opinan que los virus no están vivos. ¿Por qué? Y, a fin de cuentas, ¿qué en el nivel celular. Así como un átomo es la unidad mínima de Por otro lado, para averiguar si la destrucción del hábitat reduce es la vida? ! El virus del Ébola (detalle) es tan contagioso, que las personas que atienden a los enfermos tienen que protegerse con trajes aislantes especiales.  Introducción a la vida en la Tierra Capítulo 1 3 4 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra pared celular de las moscas y que la epilepsia es un trastorno cerebral. El prin- Parte de la Tierra habitada por los membrana plasmática cipio de la causalidad natural tiene un corolario importante: las Biosfera seres vivos. Incluye seres vivos pruebas que reunimos no están distorsionadas deliberadamente y componentes abióticos para engañarnos. Este corolario podría parecer obvio, pero algu- Superficie de la Tierra nas personas han argumentado que los fósiles no son evidencia de la evolución, sino que fueron puestos en la Tierra por Dios, Ecosistema Una comunidad más su ambiente para probar nuestra fe. Los enormes logros de la ciencia tienen abiótico como fundamento la premisa de la causalidad natural. serpiente, antílope americano, halcón, matorrales, pasto, rocas, arroyo Las leyes de la naturaleza se aplican en todo tiempo y lugar Dos o más poblaciones El segundo principio fundamental de la ciencia es que las leyes Comunidad de especies diferentes que viven de la naturaleza, que se derivan del estudio del medio natural, e interactúan en la misma zona núcleo son uniformes en el espacio y el tiempo. Por ejemplo, las leyes de serpiente, antílope americano, halcón, matorrales, pasto organelos la gravedad, los fenómenos luminosos y las interacciones de los Organismos muy parecidos que átomos son los mismos hoy que hace miles de millones de años Especie pueden reproducirse y tener y son válidos en todas las partes de la Tierra o de nuestro univer- descendencia so. El principio de la uniformidad del tiempo y el espacio es de Miembros de una especie que viven especial relieve para la biología, porque muchos sucesos biológi- Población en la misma zona manada de antílopes americanos ! FIGURA 1-2 La célula es la unidad mínima de la vida Esta cos importantes, como la evolución de la diversidad actual de los micrografía de una célula vegetal (una célula eucarionte) con colores artificiales muestra la pared celular de soporte que rodea seres vivos, se produjeron antes de que hubiera seres humanos Organismo Ser vivo compuesto por muchas las células de los vegetales (pero no de los animales). Dentro de la que los observaran. multicelular células pared celular, la membrana plasmática (que se encuentra en todas Algunas personas creen que todos los tipos de organismos las células) tiene el control sobre qué sustancias entran y salen. La fueron creados en algún momento del pasado por la intervención célula contiene también varios organelos especializados y el núcleo. antílope americano directa de Dios, una doctrina llamada creacionismo. Los cientí- ficos admiten abiertamente que no es posible refutar esta idea, Dos o más órganos que ejecutan Sistema de pero el creacionismo es contrario a la causalidad natural y a la juntos una función específica el número de antílopes, los biólogos investigarían las poblaciones aparatos uniformidad en el tiempo. El abrumador éxito de la ciencia al del organismo de antílopes así como las poblaciones en interacción de otras espe- sistema digestivo cies, que forman la comunidad a la que pertenece el antílope. Sin explicar los sucesos naturales por medio de causas naturales ha temor a equivocación, se puede decir que como la investigación llevado a los científicos a rechazar el creacionismo como explica- biológica ocurre en tantos niveles, la biología es la ciencia más ción de la diversidad de la vida sobre la Tierra. Estructura compuesta por varios Órgano tipos de tejidos que forman diversa de todas. una unidad funcional La investigación científica se basa en la premisa estómago Los principios científicos fundamentan de que los seres humanos percibimos toda investigación científica los sucesos naturales de manera similar La tercera premisa básica es que, en general, las personas somos Grupo de células semejantes que El biólogo de Harvard E. O. Wilson define ciencia como “la acti- Tejido capaces de percibir y medir los sucesos y que estas percepciones y desempeñan una función específica vidad organizada y sistemática de reunir conocimientos sobre el mediciones suministran información confiable y objetiva sobre el tejido epitelial mundo y condensarlos en leyes y principios que pueden ser so- mundo natural. Hasta cierto punto, la premisa de la percepción co- metidos a prueba”. La investigación científica se basa en un con- mún objetiva es única de la ciencia. Los sistemas de valores, como junto pequeño de premisas. Aunque nunca es posible demostrar los que privan en la apreciación de las artes plásticas, la poesía o Célula La mínima unidad de la vida por completo la validez de estas premisas, están tan demostradas la música, no presuponen una percepción común. Podemos perci- y validadas que podemos llamarlas principios científicos. Estos prin- glóbulo rojo célula epitelial neurona bir los colores y formas de un cuadro de manera parecida (el lado cipios son: causalidad natural, uniformidad de espacio y tiempo, y objetivo del arte), pero discrepar sobre su valor estético (el aspec- CH2OH percepción común. H H O H to subjetivo humanista del arte; FIGURA 1-3). Los valores difieren O entre individuos, muchas veces en virtud de sus ideas culturales o Molécula Combinación de átomos HO OH H OH La causalidad natural es el principio de que el origen H H religiosas. Como los sistemas de valores son subjetivos y no es po- agua H glucosa OH ADN de todo lo que sucede tiene causas naturales sible medirlos, la ciencia no puede dar respuesta a ciertas preguntas En el curso de la historia humana se han seguido dos enfoques en el filosóficas o éticas, por ejemplo, la moralidad del aborto. estudio de la vida y otros fenómenos naturales. El primero supone Mínima partícula de un elemento que algunos sucesos ocurren por intervención de fuerzas sobrena- Átomo que conserva sus propiedades turales que superan nuestro entendimiento. Los antiguos griegos El método científico es la base hidrógeno carbono nitrógeno oxígeno creían que Zeus lanzaba relámpagos desde el cielo. Durante la Edad de la investigación científica Media, muchos estaban convencidos de que la vida surgía de la ma- Dadas estas premisas, ¿cómo estudian los biólogos el funciona- teria inerte de manera espontánea. Y en alguna época se pensó que miento de la vida? La investigación científica es un método rigu- ! FIGURA 1-1 Niveles de organización de la materia Las interacciones entre los componentes de cada los ataques epilépticos eran resultado de una visita de los dioses. roso para hacer observaciones de fenómenos específicos y buscar nivel y los niveles inferiores permiten el desarrollo del nivel superior de organización. En cambio, la ciencia se apega al segundo enfoque, el prin- el orden en que se basan dichos fenómenos. La biología y las PREGUNTA ¿Qué cambio ambiental actual es probable que afecte toda la biosfera? cipio de la causalidad natural. Éste establece que todos los suce- demás ciencias aplican el método científico, que consta de seis sos tienen su origen en causas naturales que tenemos la capacidad elementos relacionados: observación, pregunta, hipótesis, predic- potencial de comprender. En la actualidad, entendemos que el re- ción, experimentación y conclusión (FIGURA 1-4). Toda investi- lámpago es una descarga eléctrica, que los gusanos son las larvas gación científica comienza con la observación de un fenómeno.  Introducción a la vida en la Tierra Capítulo 1 5 6 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra la situación experimental en la que sólo se modifica la variable que se prueba. A comienzos del siglo XVII, Francesco Redi aplicó Investigación científica el método científico para probar la hipótesis de que las moscas no surgen espontáneamente de la carne en putrefacción y este Los experimentos controlados, antes y ahora método se usa todavía, como lo muestra el experimento de Malte Un experimento clásico del físico italiano Francesco Redi que los machos —pero no las hembras— de estas aves tienen Andersson para probar la hipótesis de que las hembras de cier- (1621-1697) demuestra bellamente el método científico y colas extravagantemente largas, las cuales ostentan al volar ta ave prefieren aparearse con los machos de cola larga (véase el ejemplifica el principio de la causalidad natural en el que se por las praderas africanas. Esta observación llevó a Andersson apartado “Investigación científica: los experimentos controlados, basa la ciencia moderna. Redi investigó por qué aparecen a formular una pregunta: ¿Por qué en particular los machos, antes y ahora”, páginas 6 y 7). gusanos (la forma larvaria de las moscas) en la carne en sólo los machos, tienen colas largas? Su hipótesis fue que Es probable que utilices alguna variación del método para putrefacción. En la época de Redi, la aparición de gusanos los machos tienen la cola larga porque las hembras prefieren resolver problemas cotidianos (véase la figura 1-4). Por ejemplo, en la carne se consideraba evidencia de generación aparearse con machos de cola larga, los cuales tienen entonces digamos que vas con retraso a una cita importante, te metes de espontánea, la creación de seres vivos a partir de la materia más descendientes con tal cola que los machos de cola corta. A prisa al automóvil, accionas la llave del encendido y observas que inerte. no enciende. Te preguntas: “¿Por qué no enciende el coche?”, lo Redi observó que las moscas pululaban alrededor de la que te lleva a una hipótesis: “Falló la batería”. Tu hipótesis lleva a carne fresca y que aparecían gusanos en la carne que se abandonaba algunos días. Así, formuló la predicción: con una batería nueva, el coche encenderá. Diseñas a una hipótesis que se podía someter toda velocidad un experimento: cambias tu batería por la del auto- a prueba: las moscas producen los móvil nuevo de tu compañero y vuelves a encender el tuyo. Tu co- gusanos. En su experimento, Redi quiso che arranca de inmediato, lo que valida tu hipótesis. Pero aguarda, comprobar una única variable: el acceso no controlaste otras variables, como el que la batería tuviera un de las moscas a la carne. Por tanto, cable suelto. Para probarlo, puedes volver a poner tu batería vieja, tomó dos frascos limpios y los llenó colocando bien los cables, e intentar encenderlo de nuevo. Si no con cantidades parecidas de carne. lo hace apretando bien los cables de la batería vieja, pero arranca Dejó un frasco destapado (el frasco ! FIGURA 1-3 Los sistemas de valores difieren La ciencia en cuanto le pones la batería nueva, aislaste una sola variable: la control) y cubrió el otro con gasa para supone que la gente estará de acuerdo sobre los colores y las formas batería. Aunque es muy tarde para llegar a tu cita, ahora puedes que no entraran las moscas (el frasco de esta pintura, que son los aspectos objetivos de la percepción. concluir, sin temor a equivocarte, que la batería se averió. experimental). Hizo lo que pudo para Pero que cada observador dará una respuesta diferente a preguntas mantener constantes otras variables El método científico es potente, pero es importante enten- subjetivas, como: ¿cuál es el significado de la obra?, ¿es hermosa?, o (por ejemplo, el tipo de frasco, el tipo ¿la colocaría en mi pared? der sus limitaciones. En particular, los científicos casi nunca es- de carne y la temperatura). Al cabo de tán seguros de haber controlado todas las posibles variables o de unos días, observó gusanos en la PREGUNTA Esta obra de arte contemporáneo del pintor y genetista Hunter Cole se titula “Endosimbiosis”. La pintura representa haber hecho todas las posibles observaciones que sustenten una carne del frasco destapado, pero una mitocondria y cloroplastos, organelos que probablemente ninguno en la carne del frasco tapado. evolucionaron al paso de millones de años a partir de bacterias que Redi concluyó que su hipótesis era vivían dentro de otras células (véanse las páginas 325-326). ¿Esta la correcta y que los gusanos eran información objetiva cambia tu percepción de la obra? producidos por las moscas, no por la carne muerta (FIGURA E1-1). Sólo mediante experimentos controlados se pudo desechar la vieja hipótesis de la Dicha observación lleva a una pregunta: ¿cómo ocurrió esto? generación espontánea. Luego, en un momento de lucidez (o, más a menudo, luego de in- Hoy, más de 300 años después del tenso razonamiento), se formula una hipótesis. Una hipótesis es experimento de Redi, los científicos una suposición basada en observaciones anteriores, que se ofrece todavía siguen la misma metodología como posible respuesta a una pregunta y como explicación natu- para diseñar sus experimentos. Revisemos el experimento de Malte ral del fenómeno observado. Para que sea útil, la hipótesis debe Andersson, diseñado para investigar llevar a una predicción, expresada por lo regular en un enun- la colas largas de las aves llamadas ciado condicional: “si... entonces...”. La predicción se somete a viudas del paraíso. Andersson observó prueba mediante manipulaciones cuidadosamente controladas llamadas experimentos. Los experimentos producen resultados que, al analizarlos, sostienen o refutan la hipótesis, con lo que el investigador puede llegar a una conclusión sobre la validez de ésta. Un experimento único nunca es una base suficiente para lle- " FIGURA E1-1 Los experimentos gar a una conclusión; el mismo investigador y otros deben poder de Francesco Redi repetir los resultados. PREGUNTA El experimento de Redi Los experimentos simples, por lo menos aquellos de las refutó la idea de la generación ciencias de la vida, ponen a prueba la afirmación de que un factor espontánea de los gusanos; pero, ¿el experimento demostró en forma único (una variable) es la causa de una observación en particular. convincente que las moscas producen Para ser válido desde el punto de vista científico, el experimento los gusanos? ¿Qué experimento de debe descartar otras posibles variables como la causa de la obser- seguimiento se necesitaría para vación. Por eso, los biólogos incluyen controles en sus experi- determinar de manera más concluyente ! FIGURA 1-4 El método científico Las etapas del método el origen de los gusanos? mentos. Las situaciones de control, en las que todas las variables científico están a la izquierda, y en la derecha se ilustran con un que no se prueban se mantienen constantes, se comparan con ejemplo de la “vida real”.  Introducción a la vida en la Tierra Capítulo 1 7 8 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra hipótesis dada. Por tanto, las conclusiones científicas deben per- Uno de los cultivos bacterianos de Fleming se contaminó manecer sujetas a revisión si así lo exigen nuevos experimentos u con un moho (una especie de hongo) llamado Penicillium. Antes partir de esta hipótesis, Andersson predijo que si era verdadera, y soltó a las aves. El investigador se esforzó en que la longitud observaciones. de desechar la placa del cultivo, Fleming observó que alrededor entonces más hembras pondrían nidos en el territorio de de la cola fuera la única variable que cambiara. Después de unos del moho no crecían bacterias (FIGURA 1-5). ¿Por qué? Fleming machos con la cola alargada artificialmente que en el territorio días, Andersson contó el número de nidos que habían puesto La comunicación es crucial para la ciencia formuló la hipótesis de que el Penicillium despedía un compuesto de machos con la cola acortada, también en forma artificial. Así, las hembras en el territorio de cada tipo de macho. Descubrió que eliminaba las bacterias. Para probar su hipótesis, realizó un atrapó varios machos, les recortó la cola aproximadamente a que había más nidos en el territorio de los machos con las colas Por bien que se haya diseñado un experimento, no sirve de nada si no se comunica de manera completa y fiel. El diseño y la con- experimento. Cultivó Penicillium en un caldo con abundantes nu- la mitad de su longitud y los liberó (grupo experimental 1). A alargadas, que había menos en el de los machos con colas clusión del experimento de Redi sobreviven hasta nuestros días trimentos, luego filtró el moho y colocó parte del líquido restante otro grupo de machos le pegó las plumas que le cortaron a los recortadas, y que había una cifra intermedia en el territorio de porque se esmeró en anotar sus métodos y observaciones. Si los en una placa con un cultivo bacteriano sin contaminar. Desde primeros, como extensiones de su cola (grupo experimental 2). los machos control (con colas de tamaño normal) (FIGURA E1-2). Por último, Andersson dispuso dos grupos control. En uno, cortó Andersson concluyó que esta hipótesis era la correcta y que las experimentos no se comunican a otros científicos con suficientes luego, algo que estaba en el líquido mataba a las bacterias, lo que y volvió a pegar la cola (para controlar el efecto de atrapar a las hembras de las aves viudas del paraíso prefieren aparearse con detalles, no pueden repetirse para verificar las conclusiones. Sin justificó la hipótesis y llevó a la conclusión de que el Penicillium aves y manipular sus plumas). En el otro, simplemente capturó machos que tengan la cola larga. verificación, los hallazgos científicos no pueden usarse como base produce algo que elimina las bacterias. Nuevas investigaciones para nuevas hipótesis y más experimentos. con este extracto del moho llevaron a la producción del primer Un aspecto fascinante de la investigación científica es que antibiótico: la penicilina, un compuesto que destruye bacterias y cuando un científico llega a una conclusión, ésta suscita de inme- que, desde entonces, ha salvado millones de vidas. diato nuevas preguntas que llevan a otras hipótesis y más experi- Los experimentos de Fleming son un ejemplo característico mentos: ¿por qué se arruinó la batería del automóvil? La ciencia de la aplicación de la metodología científica. Comenzó con una es la búsqueda interminable del conocimiento. observación que llevó a una hipótesis, seguida por pruebas expe- rimentales de ésta que desembocaron en una conclusión. Pero el La ciencia es un esfuerzo humano método científico por sí solo habría sido inútil sin la afortunada combinación de un accidente y una brillante mente científica. Si Los científicos son personas. Los mueven las mismas ambiciones, Fleming hubiera sido un microbiólogo perfecto, no habría tenido orgullos y miedos que a los demás, y a veces cometen errores. ningún cultivo contaminado. Si hubiera sido menos observador, Como veremos en el capítulo 11, la ambición tuvo un papel im- la contaminación le habría parecido otra placa de cultivo echada portante en el descubrimiento del ADN de James Watson y Francis a perder. En cambio, fue el principio del tratamiento con antibió- Crick. Accidentes, conjeturas afortunadas, controversias con rivales ticos de las enfermedades bacterianas. Como dijo el microbiólogo científicos y, desde luego, las facultades intelectuales de los investi- francés Louis Pasteur: “la suerte favorece a la mente preparada”. gadores contribuyen en buena medida a los adelantos científicos. Para ilustrar lo que podríamos llamar la “ciencia real”, veamos un Las teorías científicas han sido sometidas caso tomado de la realidad. Para estudiar las bacterias los microbiólogos usan cultivos a pruebas exhaustivas puros; es decir, placas con bacterias no contaminadas por otras Los científicos usan la palabra teoría de forma distinta al uso bacterias o mohos. Al primer indicio de contaminación de un cul- cotidiano. Si el Dr. Watson le preguntara a Sherlock: “Estimado tivo, se descarta entre refunfuños y acusaciones de mala técnica. Holmes, ¿tienes alguna teoría de quién cometió este repugnante Ahora bien, en una ocasión así, a finales de la década de 1920, crimen?, en términos científicos le estaría pidiendo una hipótesis: Alexander Fleming convirtió un cultivo bacteriano arruinado en una “conjetura informada”, basada en evidencias observables, las uno de los mayores avances médicos de la historia. claves. Una teoría científica es mucho más general y más confia- " FIGURA 1-5 La penicilina destruye las bacterias Una borrosa colonia blanca del moho Penicillium produjo una sustancia (la penicilina) que inhibió la proliferación de la bacteria patógena Staphylococcus aureus (frotada a izquierda y derecha en esta placa de medio de cultivo gelatinoso). El moho y las bacterias se ven hasta que proliferan y alcanzan densidades elevadas. ! FIGURA E1-2 Los experimentos de Malte Andersson PREGUNTA ¿Por qué ciertos mohos producen compuestos tóxicos para las bacterias?  Introducción a la vida en la Tierra Capítulo 1 9 10 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra ble que una hipótesis. Lejos de ser una conjetura informada, una terminar su estructura celular; si surgen nuevas evidencias convin- da a diferencias en su ADN, la herencia de esas variaciones a los no tienen efectos observables o cambian al organismo sin ocasio- teoría científica es una explicación general de un fenómeno na- centes, puede modificarse una teoría científica. descendientes de los organismos que las poseen, y la selección nar daños. Pero en circunstancias excepcionales, se produce una tural importante, desarrollada mediante numerosas observaciones natural, que favorece la reproducción de los organismos con va- mutación que contribuye a la supervivencia y la reproducción del reproducibles. En lenguaje llano, es más como un principio o una Las teorías científicas se formulan riaciones que les ayudan a sobrevivir en su entorno. organismo. Mutaciones ocurridas hace cientos o miles de años ley natural. Por ejemplo, teorías científicas como la teoría atómica de modo que puedan refutarse se han transmitido de los progenitores a la descendencia a lo lar- (que toda la materia está compuesta por átomos) y la teoría de la La variabilidad genética entre organismos es hereditaria go de innumerables generaciones, lo que explica las diferencias Una diferencia importante entre una teoría científica y una convic- gravitación (que los objetos se atraen recíprocamente) son funda- ción basada en la fe es que la primera puede refutarse, mientras que Observa a tus compañeros y ve cuán diferentes son. También, vi- individuales de estatura, proporciones físicas, rasgos faciales y co- mentales en la ciencia de la física. De la misma manera, la teoría la afirmación de fe, no. Por esta posibilidad de refutación es que los sita un refugio animal y constata las diferencias de los perros en lor de la piel, cabello y ojos. celular (que todos los seres vivos están compuestos por células) científicos se refieren a los preceptos básicos de las ciencias como cuanto a tamaño, forma y color del pelaje. Aunque parte de esta y la teoría de la evolución (que veremos en la sección 1.2) son variación (en particular entre tus compañeros) se debe a diferen- La selección natural tiende a conservar los genes “teorías”. Para explicar la refutabilidad, tomemos el ejemplo de los que ayudan al organismo a sobrevivir y reproducirse fundamentales en el estudio de la biología. Los científicos llaman elfos. La postura científica respecto de los elfos es que no existen cias del entorno y del estilo de vida, mucha está influida por los “teorías” a los principios fundamentales y no “hechos”, porque la genes. Por ejemplo, casi todos podríamos levantar pesas el resto Los organismos que superan mejor las dificultades de su entorno porque ninguna prueba objetiva denota su existencia. Las personas premisa básica de la investigación científica es que debe empren- de nuestra vida y casi ninguno desarrollaría un cuerpo como el de dejan más descendientes. Estos descendientes heredan los genes que creen en los elfos los describirían como criaturas tan sigilo- derse con la mente abierta. Si se encuentran pruebas convincentes, Mr. Universo. que hicieron tener éxito a sus padres. Así, la selección natural con- sas que no se les puede atrapar ni detectar o bien dirían que los elfos la teoría científica debe modificarse. Pero, ¿qué son los genes? La información hereditaria de serva los genes que ayudan a los organismos a desarrollarse en su se manifiestan sólo ante quienes creen en ellos. La teoría científica Un ejemplo moderno de la necesidad de tener una mente todas las formas conocidas de vida se encuentra en una molécu- medio. Por ejemplo, podemos plantear la hipótesis de que los cas- de que los elfos no existen se refutaría si alguien capturara uno, o si abierta a la luz de nuevas evidencias científicas es el descubrimien- la llamada ácido desoxirribonucleico o ADN (FIGURA 1-6). El tores modernos tienen dientes delanteros grandes por una muta- aportara alguna otra evidencia objetiva y repetible de su existencia. to de los priones, que son proteínas infecciosas (véase el estudio de ADN de un organismo está en los cromosomas de cada célula; ción que pasó a los descendientes de una única pareja de castores, En cambio, las afirmaciones de fe (por ejemplo, que los elfos exis- caso del capítulo 3). Antes del inicio de la década de 1980, todos es el “mapa” genético de la célula o el “manual de instruccio- por la cual tenían dientes más prolongados que los normales. Los ten o que toda criatura terrestre fue creada independientemente) los patógenos conocidos poseían material genético, fuera ADN o la nes” molecular, una guía para la construcción y funcionamiento castores con la mutación mordían los árboles mejor y construían están formuladas de manera tal que no es posible refutarlas. Por molécula relacionada ARN. Cuando en 1982 el neurólogo Stanley del cuerpo. Los genes son segmentos de ADN. Cada gen dirige la presas y madrigueras más grandes y comían más corteza que los cas- este motivo, no son ciencia, sino artículos de fe. Prusiner, de la University of California (Universidad de California) formación de uno de los componentes moleculares cruciales del tores normales, los que no tenían la mutación. Como estos casto- en San Francisco, publicó evidencias de que la tembladera (una en- organismo. Cuando un organismo se reproduce, pasa una copia res dientones tenían más comida y mejor refugio, podían criar más 1.2 EVOLUCIÓN: LA TEORÍA UNIFICADORA de sus cromosomas con ADN a sus descendientes. descendientes, los cuales heredaron los genes de sus padres para fermedad infecciosa que causa la degeneración del cerebro de las ovejas) es en realidad causada y transmitida por una proteína sin QUE COHESIONA LA BIOLOGÍA La exactitud del copiado del ADN es sorprendentemente tener dientes grandes. Con el tiempo, los castores menos exitosos material genético, sus resultados fueron recibidos con incredulidad En palabras del biólogo Theodosius Dobzhansky, “en la biología alta. En las personas, ocurren tan sólo unos 25 errores (llamados con dientes pequeños fueron cada vez más escasos y después de generalizada. Desde entonces, se ha visto que los priones causan la nada es lógico si no se contempla a la luz de la evolución”. ¿Por mutaciones) por cada mil millones de subunidades de la mo- muchas generaciones, todos los castores tenían los dientes grandes. “enfermedad de las vacas locas” (también llamada encefalopatía es- qué las víboras no tienen patas? ¿Por qué hay dinosaurios fósiles lécula de ADN. También se producen mutaciones por daño al Se llama adaptaciones a las estructuras, procesos fisioló- pongiforme bovina, EEB) que ha causado la muerte no sólo de gana- pero no dinosaurios vivos? ¿Por qué los monos se nos parecen, ADN; por ejemplo, por luz ultravioleta, partículas radiactivas o gicos o comportamientos que contribuyen a la supervivencia y a do, sino de alrededor de 200 personas que comieron carne infecta- no sólo en el aspecto sino también en la estructura de sus genes y compuestos tóxicos, como los del humo del cigarro. Estos errores la reproducción en un ambiente particular. Casi todas las carac- da. Antes del descubrimiento de los priones, la ciencia desconocía proteínas? Las respuestas a estas preguntas y miles más están en la ocasionales pueden alterar la información de los genes o modifi- terísticas que admiramos en otras formas de vida, como la larga el concepto de proteína infecciosa; pero como los científicos están evolución, que estudiaremos con detalle en la unidad 3. car el conjunto de genes en los cromosomas. Algunas mutaciones cornamenta de los ciervos, las alas de las águilas y los poderosos dispuestos a modificar las ideas aceptadas para explicar los datos La evolución, la noción de que los organismos modernos son nocivas; por ejemplo, las mutaciones de las células de la piel troncos de las secuoyas, son adaptaciones con las que escapan de nuevos, mantuvieron la integridad del proceso científico al tiempo descienden, con modificaciones, de formas de vida anteriores, ex- causadas por exceso de luz ultravioleta o de las células pulmona- sus depredadores, atrapan presas, captan la luz del Sol o logran que ampliaban nuestro entendimiento sobre cómo se producen ta- plica el origen de la diversidad de la vida y también las notables res expuestas a las sustancias tóxicas del humo del cigarro pueden otras hazañas que favorecen su supervivencia y reproducción. Es- les enfermedades. Por sus trabajos de vanguardia, Stanley Prusiner semejanzas entre organismos diferentes. Desde que dos naturalis- causar cáncer. tas características se conformaron en millones de años de acción recibió el premio Nobel de fisiología o medicina en 1997. tas ingleses, Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, formularon En raras ocasiones ocurrirá una mutación cuando se for- de la selección natural sobre mutaciones aleatorias. la teoría de la evolución a mediados del siglo XIX, ésta ha sido man un espermatozoide o un óvulo, de manera que el cambio se Al paso del tiempo, las relaciones recíprocas del entorno, La ciencia se basa en el razonamiento validada por fósiles, estudios geológicos, datación radiactiva de transmite a los descendientes del organismo. Por consiguiente, variación genética y selección natural, dan por resultado inevi- Las teorías científicas surgen por razonamiento inductivo, que rocas, genética, biología molecular, bioquímica y experimentos todas las células del nuevo organismo llevan la mutación heredi- table una evolución, es decir, un cambio en la composición ge- es la generalización que resulta de hacer muchas observaciones que de crianza animal para estudio de la anatomía comparada. Las taria. Algunas de estas mutaciones impiden el desarrollo del orga- nética de una población. La evolución ha sido documentada in- la respalden y ninguna contradictoria. Dicho en forma simple, la personas que dicen que la evolución “es pura teoría” confunden nismo, mientras que otros cambios del material genético causan numerables veces, tanto en laboratorio como en la vida silvestre. teoría de que la Tierra ejerce una fuerza gravitacional sobre las co- profundamente el concepto de teoría científica. enfermedades como el síndrome de Down. Muchas mutaciones Por ejemplo, los antibióticos actúan como agentes de selección sas comenzó con observaciones repetidas de objetos que caían y, natural en las poblaciones de bacterias y suscitan la aparición de por el contrario de la absoluta falta de observaciones de objetos Tres procesos naturales que sustentan la evolución cepas resistentes. Las podadoras de pasto han producido cam- que “cayeran para arriba”. La teoría celular surge de la observación bios en la composición genética de las poblaciones de dientes de La teoría científica de la evolución establece que los organismos de que todos los organismos que poseen los atributos de la vida león en favor de los que producen flores con tallos muy peque- modernos descienden, con modificaciones, de formas de vida an- están compuestos de una o más células y que nada que no esté ños. Los científicos han documentado la aparición espontánea de teriores. La fuerza más importante de la evolución es la selección compuesto de células comparte estos atributos. especies completamente nuevas de plantas debido a mutaciones natural, proceso por el cual organismos con ciertos rasgos que les Una vez planteada una teoría científica, puede usarse para que alteran su número de cromosomas, lo que les impide repro- permiten enfrentar los rigores de su entorno, se reproducen con sostener un razonamiento deductivo. En las ciencias, el razona- ducirse con la especie de sus padres. mayor éxito que otros que no los tienen. Los cambios que se pro- miento deductivo es el proceso de elaboración de una hipótesis Lo que hoy ayuda a un organismo a sobrevivir, mañana ducen en la evolución se deben a la acción de la selección natural sobre cuál será el resultado de una observación o experimento, a puede ser una desventaja. Si cambia el entorno (por ejemplo, si se sobre las variaciones hereditarias que presentan los organismos partir de una generalización justificada, como una teoría cientí- produce el calentamiento de la atmósfera), la composición gené- de una población y que ocasionan cambios en las generaciones fica. Por ejemplo, en el caso de la teoría celular, si los científicos tica de los organismos mejor adaptados a su ambiente cambiará subsecuentes. La variación en la que actúa la selección natural es descubrieran un nuevo organismo que exhibiera todos los atribu- también al paso del tiempo. Cuando nuevas mutaciones aleato- resultado de pequeñas diferencias en la composición genética de tos de la vida, deducirían con seguridad (plantearían la hipótesis) rias incrementan la idoneidad de un organismo en un medio alte- los organismos de esa población. que está compuesto por células. Desde luego, el nuevo organismo ! FIGURA 1-6 ADN Modelo del ADN, la molécula de la herencia. rado, esas mutaciones se difundirán entre toda la población. Las La evolución es consecuencia de tres hechos naturales: la debe ser examinado detenidamente bajo el microscopio para de- Como lo explicó uno de sus descubridores, James Watson: “Una poblaciones de una especie que viven en ambientes diferentes es- variabilidad genética entre organismos de una población debi- estructura tan hermosa simplemente tenía que existir”. tán sometidas a tipos distintos de selección natural. Si las diferen-  Introducción a la vida en la Tierra Capítulo 1 11 12 Capítulo 1 Introducción a la vida en la Tierra Los seres vivos mantienen su estructura compleja y su ambien- te interno estable; este proceso se denomina homeostasis. Guardián de la Tierra Los seres vivos responden a los estímulos de su ambiente. Los seres vivos adquieren y aprovechan materiales y energía ¿Por qué conservar la biodiversidad? de su ambiente y los convierten en otras formas. La pérdida de las especies es la insensatez que quizá nunca Los seres vivos crecen. nos perdonarán nuestros descendientes. Los seres vivos se reproducen siguiendo el mapa molecular E. O. Wilson del ADN. Profesor de la Universidad de Harvard Los seres vivos, en conjunto, tienen la capacidad de evolucionar. ¿Qué es la biodiversidad y por qué debemos conservarla? La Ahora examinaremos estas características a detalle. biodiversidad se refiere al número total de especies de una región dada. Se calcula que en los 3,500 millones de años de historia de la vida en la Tierra, la evolución ha producido Los seres vivos son complejos, están organizados de ocho a 10 millones de especies irremplazables. De éstas, y se componen de células los científicos han clasificado aproximadamente 1.4 millones En el capítulo 4 veremos cómo los investigadores de comienzos del y sólo se ha estudiado una diminuta fracción de esta cifra. siglo XIX, al observar seres vivos con los primeros microscopios, Ahora bien, la evolución no simplemente ha producido ! FIGURA 1-7 Triceratops fósil Este Triceratops murió en lo concibieron la teoría celular, que establece que la célula es la uni- en masa millones de especies independientes. Al paso de que hoy es la región estadounidense de Montana hace unos 70 los milenios, los organismos de una región dada han sido dad básica de la vida. Incluso una célula única posee una estructura millones de años. Nadie sabe con certeza la causa de la extinción moldeados por fuerzas de selección natural que ejercen de los dinosaurios, pero sí sabemos que no pudieron adquirir por interna compleja (véase la figura 1-2). Todas las células contienen otras especies vivas, además del medio ambiente en el que evolución adaptaciones con la suficiente rapidez para mantener el genes, las unidades de la herencia que suministran la información existen. El resultado es la comunidad, una red complejísima ritmo de los cambios de su entorno. necesaria para controlar la vida de la célula. Las células contienen de organismos interdependientes cuyas interacciones se también organelos, especializados en cumplir funciones específi- sostienen unas a otras. Al anticipar el ciclo natural del agua, cas como mover a la célula, obtener energía o sintetizar moléculas oxígeno y otros nutrimentos y al producir un suelo fértil y cias son significativas y se prolongan lo suficiente, es posible que grandes. Las células siempre están rodeadas de una delgada mem- purificar los desechos, las comunidades contribuyen también al con el tiempo hagan que las poblaciones sean tan distintas unas brana plasmática que encierra al citoplasma (los organelos y el sostenimiento de la vida humana. de otras que no se puedan cruzar: evolucionó una especie nueva. líquido que los rodea) y que separa a la célula del medio exterior. Los trópicos son el hogar de la gran mayoría de las especies ! FIGURA E1-3 Biodiversidad amenazada La destrucción de Ahora bien, si pese a todo no se producen mutaciones fa- Algunos organismos, casi todos invisibles para el ojo humano, de la Tierra, quizá unos siete u ocho millones establecidos en los bosques tropicales amenaza el mayor almacén de diversidad comunidades complejas. La destrucción acelerada del hábitat biológica de la Tierra. El hábitat de la pervinca rosa ha disminuido vorables, un cambio en el ambiente puede condenar a una espe- constan de una sola célula. Tu cuerpo (y el de los organismos con en los trópicos (de los bosques lluviosos a los arrecifes de significativamente por la tala en Madagascar. cie a la extinción. Los dinosaurios (FIGURA 1-7) se extinguieron los que estamos más familiarizados) está compuesto por muchas coral) como resultado de las actividades humanas está llevando no por sus fallas (de hecho, prosperaron durante 100 millones células especializadas y muy bien organizadas que cumplen fun- a la extinción a numerosas especies (FIGURA E1-3). La mayor de años), sino debido a que no evolucionaron con suficiente ciones específicas. La pulga de agua (Daphnia) es un buen ejemplo parte de estas especies no estaba clasificada y otras nunca prontitud para adaptarse a los cambios de las condiciones. En las de la complejidad que encontramos en una forma de vida multice- fueron descubiertas. Además de las cuestiones éticas de que son parte cambien, pierdan estabilidad y queden más últimas décadas, las actividades humanas han acelerado drásti- lular que es más pequeña que la letra o de este texto (FIGURA 1-8). erradicar formas de vida irremplazables al producir la extinción vulnerables a enfermedades o a condiciones ambientales camente el ritmo del cambio ambiental. Las mutaciones de adap- de organismos desconocidos, perdemos posibles fuentes de adversas. Ciertos resultados experimentales justifican esta tación son en realidad escasas; así, muchas especies no consiguen medicina, alimento y materias primas para la industria. postura, pero las interacciones dentro de las comunidades adaptarse a cambios ambientales rápidos y, en consecuencia, la Por ejemplo, un pariente silvestre del maíz que es muy son tan complejas que se trata de hipótesis muy difíciles de velocidad de la extinción se ha incrementado de manera notable. resistente a las enfermedades y también perenne (es decir, poner a prueba. Es evidente que algunas especies tienen un En el apartado “Guardián de la Tierra: ¿Por qué conservar la bio- que dura más de una temporada de siembra), se encontró en papel mucho más importante que otras en la conservación de diversidad?” examinamos más a fondo este concepto. Ojos: los seres una parcela de 10 hectáreas en México que se planeaba talar y la estabilidad de un ecosistema, pero nadie sabe cuáles sean vivos responden quemar la semana siguiente al descubrimiento. Quizá los genes las más cruciales para cada uno. Las actividades humanas a los estímulos de esta planta algún día podrían mejorar la resistencia del han aumentado el índice natural de extinción con un factor 1.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS maíz a las enfermedades, o crear una planta de maíz perenne. de al menos 100 y posiblemente hasta 1,000 veces el factor La pervinca rosa, una planta con flores del bosque tropical antes de que aparecieran los seres humanos. Al reducir la La palabra biología viene de la raíz griega bio, que significa vida, y de la isla de Madagascar (frente a la costa oriental de África; biodiversidad para sostener a más y más personas y estilos de logos, que significa estudio (en el apéndice I se encuentran mu- véase el detalle de la figura E1-3), produce dos sustancias que de vida derrochadores, nos hemos m