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Biología I Guía Didáctica Ilustrada OFELIA GONZALEZ RAMOS EN BASE AL PROGRAMA DEL SISTEMA TECNOLOGICO NACIONAL Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 1 Biología I Guía Didáctica Ilustrada...

Biología I Guía Didáctica Ilustrada OFELIA GONZALEZ RAMOS EN BASE AL PROGRAMA DEL SISTEMA TECNOLOGICO NACIONAL Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 1 Biología I Guía Didáctica Ilustrada UNIDAD 1 INTRODUCCION A LA BIOLOGIA 1.1 GENERALIDADES E HISTORIA DE LA BIOLOG- ÍA. 1.2 RELACIÓN DE LA BIOLOGÍA CON OTRAS DIS- CIPLINAS 1.3 ASPECTOS HISTÓRICOS DE LAS CIENCIAS BIOLÓGICAS. 1.3.1 El conocimiento biológico en la antigüedad. 1.3.2 El retraso medieval y el florecimiento rena- centista. 1.3.3 El surgimiento de la teoría celular 1.3.4 La Biología en la época moderna y contem- poránea. 1.4 CARACTERÍSTICAS E IMPORTANCIA DEL MÉTODO CIENTIFICO EN LA INVESTIGACION Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 7 Biología I Guía Didáctica Ilustrada 1.0 INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA. Objetivo: Comprender la importancia de la Biología, su relación con otras disciplinas y su aplicación en la Investigación científica. 1.1 GENERALIDADES E HISTORIA DE LA BIOLOGÍA Que estudia la Biología? El término Biología (del griego bios = vida; logos = estudio) introducido en Alemania en 1800 y popularizado por el naturalista francés Jean Baptiste de Lamarck, significa literalmente "es- tudio de la vida”. La Biología es la ciencia que estudia a los organismos vivos, seres vivos o a la llamada materia orgánica. Si sabemos que materia es todo aquello que La materia orgánica presenta un ciclo de ocupa en lugar en el espacio y que esta se vida: nace, crece se reproduce y muere. Fig. clasifica en inorgánica y orgánica, entonces 2 debemos conocer las características de la materia orgánica o viva. La materia orgánica esta constituida fun- damentalmente de cuatro elementos: Car- bono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. (CHON). Fig. 2 Ciclo de vida. www.copeg.org/ciclo.html La materia orgánica presenta funciones vitales: reproducción, respiración, diges- tión, excreción etc. Fig. 3 Fig.1 Esquema célula La unidad fundamental de la materia orgá- nica es: la célula. Fig. 1 La materia orgánica o viva presenta un alto grado de organización: como organismos multicelulares: aparatos y sistemas éstos subdivididos en órganos, éstos en tejidos, los tejidos subdivididos en células, células en organelos. Fig. 3 Funciones vitales www.laescolar.com/html Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 8 Biología I Guía Didáctica Ilustrada 1.2 RELACIÓN DE LA BIOLOGÍA CON OTRAS DISCIPLINAS La biología es la ciencia que estudia los organismos vivos. Ya que los organismos vivos son tan diversos se subdivide esta en muchas ciencias según el aspecto parcial que estudia, la Biología se puede dividir en muchas ramas, entre otras las siguientes: Ramas de la Biología Inicialmente se divide a la Biología en dos grandes ramas: Botánica y Zoología Zoología: Rama de la Biología que estudia los animales. Botánica: Rama de la Biología que estudia las plantas o vegetales. Citología: Rama de la Biología que estudia la célula. La anatomía, fisiología, bioquímica y biofísica de la célula entre otras. Histología: Rama de la Biología que estudia los tejidos. Morfología: Rama de la Biología que estudia la forma de los organismos vivos. Anatomía: Rama de la Biología que estudia la estructura de los organismos vivos. Fisiología: Rama de la Biología que estudia las funciones de los seres vivos. por ejemplo, digestión, respiración, reproducción, circulación, Embriología: Rama de la Biología que estudia el desarrollo de los organismos desde que son fecundados hasta que nacen. También se llama Biología del Desarrollo. Genética: Rama de la Biología que estudia la transmisión de los caracteres hereditarios. Actualmente es una ciencia aplicada: en Biotecnología, Ingeniería Genética, Medicina Genética, Clonación,, etc. Taxonomía: Rama de la Biología que se aplica a la organización y clasificación de los seres vivientes. Clasificación es el ordenamiento de objetos en grupos de acuerdo a sus características. La Taxonomía se llama también Sistemática ordena y agrupa a los or- ganismos en base a sus características Ecología: Rama de la Biología que estudia la relación de los organismos con su medio ambiente. Paleontología: Rama de la Biología que estudia los restos fósiles. También se le llama Paleobiología Etología: estudia el comportamiento o conducta de los animales. También se denomina Psicobiología, o Biología del Comportamiento. Evolución: Rama de la Biología que estudia la variación de los organismos a lo largo del tiempo desde su origen hasta nuestros días. Se le llama también Biología Evolutiva Medicina: rama de la Biología estudia las formas y métodos por medio de los cuales los organismos enfermos pueden recuperar la salud. Ramas de la Botánica: Microbiología: Estudio de los microorganismos, tanto innocuos como patógenos; por ejemplo, bacterias, protozoarios y hongos. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 9 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Bacteriología: estudia las bacterias. Micología: Estudio de los hongos, patógenos o no patógenos. La Zoología se subdivide en: Protozoología: rama de la Zoología que estudia los protistas, al especialista se le llama protozoólogo Malacología: rama de la Zoología que estudia los moluscos, al especialista se le llama malacólogo Helmintología: o Vermilogía, rama de la Zoología que estudia los gusanos planos y re- dondos, al especialista se le llama helmintólogo. Entomología: rama de la Zoología que estudia los insectos, al especialista se le llama entomólogo. Carcinología: rama de la Zoología que estudia los crustáceos, al especialista se le llama carcinólogo. Herpetología: rama de la Zoología que estudia las anfibios y reptiles, al especialista se le llama herpetólogo Ictiología: rama de la Zoología que estudia los peces, al especialista se le llama ictiólo- go. Ornitología: rama de la Zoología que estudia las aves, al especialista se le llama ornitó- logo Mastozoología: rama de la Zoología que estudia los mamíferos, al especialista se le lla- ma mastozoólogo. Ciencias Auxiliares de la Biología Biofísica: estudia el estado físico de la materia viva. Nivel Cuántico. Estudia los fenómenos físicos en organismos: movimiento, óptica, acústica, flujo de la energía y transformación de la energía: metabolismo, impulsos nerviosos etc. Bioquímica: Nivel atómico y molecular. Estudia la composición química, la estructura molecular de los seres vivientes, los procesos digestivos, la nutrición, etc. Biogeografía: estudia la distribución en tiempo y espacio de los organismos sobre la tierra Historia: nos narra como han ido cambiando los organismos a través del tiempo. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 10 Biología I Guía Didáctica Ilustrada 1.3 ASPECTOS HISTÓRICOS DE LAS CIENCIAS BIOLÓGICAS. 1.3.1 El conocimiento biológico en la antigüedad. El origen de la Biología se remonta a la antigua Grecia. El pueblo heleno alcanzó un gran desa- rrollo cultural, 600 años a. C. se constituyó la primera institución científica reconocida: una escuela de medicina. Su figura más relevante fue Hipócrates (460-370 a. C.), considerado co- mo el "Padre de la medicina" y que escribió una enciclopedia médica cuya influencia llegó hasta el siglo XVII. Aristóteles (384-322 a. C.), escribió varios tratados sistemáticos sobre embriogénesis, ana- tomía y botánica. Su discípulo Teofastos (372-287.C.) prestó más atención a los trabajos botánicos, como la germinación de la semilla.. En el siglo IX los árabes traducirán las obras griegas y romanas al árabe y harán aportaciones originales como la de Avicena (980-1037), quien basándose en Galeno codifica el conocimiento médico. Galeno, quien creo el método experimental en fisiología. 1.3.2 El retraso medieval y el florecimiento renacentista. A partir del siglo XV, y dentro de la revolución científica que tuvo lugar en el Renaci- miento, resurge el interés por los estudios anatómicos y fisiológicos. Destaca Leonardo da Vinci (1452-1519), quien representa al hombre típico del Renacimiento. Éste realiza estudios sobre el cuerpo humano y su comparación con el de otros animales, así como estudios sobre el vuelo de las aves. Vesalio (1514-1564) publicó en 1543 "De la estructura del cuerpo humano", que se considera el primer libro correcto de anatomía humana. Por otro lado, Fallopio, discípulo de Vesalio, hizo sus investigaciones sobre el sistema nervioso y los órganos generativos. El siglo XVII para la Biología En el siglo XVII, Guillermo Harrey completó el descubrimiento de la circulación de la sangre iniciado por el español Miguel Servet en el siglo XVI. A partir de nació la embriología. El microscopio. Malpighi (1628-1694) italiano, que logró ver los capilares, Antón Van Leeuwenhoek (1632-1703) alemán, que fue el primero que observó los protozo- os y los espermatozoides. Con ello se ampliaría el campo de la investigación biológica. El primero que observó células vivas fue Antón van Leeuwenhoek entre finales del s. XVII y principios del XVIII, describió los glóbulos rojos y observó espermatozoides, protozoos e in- cluso bacterias, todo ello con microscopios muy rudimentarios (en realidad simples lupas) fa- bricados por él mismo Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 11 Biología I Guía Didáctica Ilustrada La célula Robert Hooke (1635-1703) científico inglés en 1665 dio el nombre de célula a los compartimentos que observó al exa- minar un trozo de corcho y que le recordaban las celdas de un panal de abejas. Fig.4 Fue pionero en realizar investiga- ciones microscópicas y publicó sus observaciones, entre las que se encuentra el descubrimiento de las células vegetales. Sin embargo, la importancia de la célula no se manifestó hasta 1838, fecha en la que el zoólogo alemán Theodor Schwann (1810-1882) y el botánico alemán Mattias Schlei- Fig. 4 Celdas o celdillas de un den (1804-1881) establecieron la teoría celular, según la Trozo de corcho cual todos los organismos animales y vegetales están inte- grados por células. 1.3.3 El surgimiento de la teoría celular. La teoría celular. En 1838 y 1839 Matthias Jakob Schleiden (1804-1881) (botánico) y Theo- dor Schwann (1810-1882) (fisiólogo); fundan la teoría celular concluyendo de sus trabajos que: 1838-Mattias Schleiden en tejidos de las plan- tas. Y 1839- Theodore Schwann en tejidos ani- males. Fig. 5 La teoría celular sostiene que todos los organis- mos están compuestos por una o más células, Las células son la unidad básica de la vida. y que Matthias Jakob Schleiden Theodor Schwann esas células se originaron de células preexis- tentes 1858-Rudolf Virchow combinó las dos ideas formulando la Teoría celular: todas las células se originan en una célula preexistente. Por lo tanto existiría una cadena de existencia extendién- dose en el tiempo desde nuestras células a la célula que las originó, algo así como hace 3.500 millones de años atrás. El siglo XVIII para la Biología. Carolus Linneo :( 1707-78) es llamado con frecuencia el Padre de la Taxonomía., su sistema para nombrar, ordenar y clasificar los organismos vivos, a partir de una nomenclatura binomial, Ideo la clasificación de las plantas basándose en la disposición y estructuración de los órganos reproductores; cárpelos y estambres; fue el creador de el método científico en el estudio de la historia natural. Dentro de la misma rama de la clasificación, se dio a conocer el biólogo francés Georges Cu- vier, el cual dedicó su vida a clasificar y comparar las estructuras de diferentes animales, convirtiéndose así en el padre de la anatomía comparada. Durante todo este siglo prevalece la Teoría de la generación espontánea. Fue Redi (1621-1698) quien realizó la primera investigación sobre este tema. Al aislar, en ocho frascos, distintos tipos de carnes, de los que sólo cerró cuatro, comprobó que en estos no apa- recían larvas, mientras que sí eran patentes en los que había dejado abiertos. Sin embargo, el Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 12 Biología I Guía Didáctica Ilustrada hecho de encontrar animáculos en muchos medios, como el agua de lluvia, las infusiones o el estiércol, hizo que la polémica continuase. Así, el inglés Needham (1713-1781) llegó a conclusiones opuestas a las de Redi al encontrar microorganismos al destapar un recipiente en el que había puesto a hervir caldo de carnero. El italiano Spallanzani (1729-1799) demostraría años más tarde que si se tomaban las suficien- tes precauciones, como el que no quedase ninguna espora, no aparecerían estos microorganis- mos. Sin embargo, los partidarios de la generación espontánea persistieron hasta que Pasteur (1822-1895) determinó la existencia de bacterias. La Biología en el siglo XIX En el siglo XIX la Biología se transformó en una ciencia moderna. Diversos biólogos prestaron especial atención a seres microscópicos llamados bacterias y rea- lizaron grandes descubrimientos, entre ellos Luis Pasteur, quien pudo comprobar a que la en- fermedad que atacaba a los gusanos de seda en Francia era causada por una bacteria y perfec- cionó métodos por medio de los cuales se podía proteger al gusano. Otro aporte de Pasteur a la ciencia fue la elaboración de la vacuna antirrábica. Gregor Johann Mendel (1822. 1884) quien estableció los principios que gobiernan la herencia de los caracteres especí- ficos, inclusive la estructura y el color. A finales del siglo XIX se hicieron muchos descubrimientos relacionados con la herencia y la genética. En sus experimentos utilizó plantas de guisante por su facili- dad de cultivo y su capacidad de autofecundarse. Mendel cruzó plantas con caracteres que podían manifestarse de dos formas distintas: Fig. 6 plantas altas con bajas, de semilla rugosa con otras de semilla lisa, de semilla amarilla con las de semilla verde, etc. Fig. 6 Experimento Mendel Las plantas que presentaban semillas rugosas, siempre daban lugar a individuos de semillas rugosas. Llamó entonces raza pura a las plantas rugosas. Fig. 1.3.3 Algunas plantas de semillas lisas no podían ser razas puras ya que, al autofecundarse daban lugar a una compuesta por indi- viduos lisos e individuos rugosos. A este tipo de plantas las denominó raza híbrida. El evolucionismo El término evolucionismo se le atribuye al científico francés Pierre Louis Moreau de Mauper- tuis (1698-1759), quien llegó a la conclusión de que la capacidad de adaptación al medio de los organismos debía desempeñar un papel decisivo en el futuro de la especie. Jean-Baptiste Lamarck.- naturalista francés (1744-1829), utilizó por vez primera una clave dicotómica para clasificar las plantas. Lamarck fue el primero que intentó explicar la teoría evolucionista. Propone como causa de la evolución la adaptación de los órganos a las condiciones ambientales y la transmisión hereditaria de estos caracteres de una generación a otra. Su te- oría se asienta en la aseveración de que los caracteres adquiridos son hereditarios. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 13 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Según Lamarck "la necesidad crea el órgano" y por extensión del namiento, la inactividadde éste originaría su atrofia y desaparición. El ejemplo del cuello de las jirafas es el más empleado por su necesidad de alcanzar las hojas más altas de los árboles estaría la razón por la que el cuello, poco a poco, se alargase, según Lamarck Fig.7 son las condicio- nes ambientales las que determinan las variaciones en la estructura de un organismo. Fig. 7 Jean-B.Lamarck Carlos Darwin (1809-82), autor del libro denominado "El origen de las especies". En él expuso sus ideas sobre la evolución de las especies por medio de la selección natural. Considerado el padre de las teorías evolucionistas Su interés se orientó hacia la historia natural y en 1831, al térmi- no de sus estudios, se embarcó como naturalista en el velero Bea- gle, a bordo del cual viajó alrededor del mundo durante cinco años. Durante aquel tiempo recogió infinidad de datos de carácter geológico, zoológico y botánico en los que se inspiró para formular sus puntos de vista. De regreso a Inglaterra, en 1837 se instaló en Londres, ocupándose de la redacción de su diario del viaje (pu- Fig. 8 Charles Darwin blicado en 1839) y de la elaboración de su estudio sobre los arre- cifes de coral. La teoría darwinista.- Para explicar los mecanismos de la evolución, Darwin formuló la teoría de la selección natural, según la cual los individuos más adaptados al medio son los que tendr- ían mayor posibilidad de supervivencia y de reproducción; consecuentemente los menos adapta- dos tenderían a desaparecer. La evolución de las especies se produce por efecto de una selección natural que opera de modo que favorece la supervivencia del individuo más adap- tado. Thomas Henry Huxley l anatomista y antropólogo británico quien hizo defensa de las teorías evolucionistas. Profesor del Real Colegio de Médicos y Presidente de la Royal Society. Huxley recabó pruebas que apoyaran las teorías de Darwin. La Biología en el siglo XX En la década de los años treinta del s. XX, un grupo de científicos armonizó la teoría de la se- lección natural con los descubrimientos genéticos de Mendel* y Morgan El neodarwinismo también llamado teoría sintética de la evolución. Teoría biológica sobre la evolución de las especies basada en las ideas de Charles Robert Dar- win, es básicamente el intento de fusionar el darwinismo clásico con la genética moderna, y fue formulado en la década del 30 y el 40 (siglo XX) por científicos tales como G. G. Simpson, Mayr, Huxley, Dobzhansky, Fischer, Sewall Wright, y otros. Según esta teoría los fenómenos evolutivos se explican básicamente por medio de las mutacio- nes (las variaciones accidentales de que hablaba Darwin) sumadas a la acción de la selección natural. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 14 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Así, la evolución se habría debido a la acumulación de pequeñas mutaciones favorables, preser- vadas por la selección natural y por consiguiente, la producción de nuevas especies (evolución trans específica) no sería nada más que la extrapolación y magnificación de las variaciones que ocurren dentro de la especies. Teoría cromosómica de la herencia En los 1900 De Vries, Correns y von Tschermak redescubren a Mendel, mientras que las in- vestigaciones de Sutton y Boveri explicaban el significado de una especial forma de división celular: la meiosis o división reduccional. Para esta época ya se alcanza a comprender que los cromosomas podían llevar los "elemente" de Mendel, esto más los trabajos de Morgan en Dro- sophila melanogaster lleva a la Teoría cromosómica de la herencia que sostiene que los facto- res hereditarios (los genes) están situados sobre los cromosomas, que su ordenamiento es line- al y que, al fenómeno hereditario de la recombinación, le corresponde un fenómeno en el ámbito celular: el intercambio de segmentos cromosómicos por "sobrecruzamiento" (crossing over). Primera y segunda Ley de Mendel. Estructura del DNA. aportes al descubrimiento de la estructura del ADN, realizados en 1953. En 1953, Watson, James Dewey 1928 y Crick, Francis Harry (1916–2004) Fig. 10 estadodounidenses, en base a los estudios de Wilkins, desarrollaron el modelo de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), compuesto químico del que recien- temente (en ese entonces) se había llegado Fig. 9 Estructura DNA a concluir que era el soporte físico de la herencia. Crick, por su parte hipotizó acer- ca del mecanismo de duplicación del ADN y luego acerca de la relación del ADN y la síntesis de las proteínas, esta hipótesis se conoce como el "dogma central" y, de acuerdo a él, la información fluye desde el ADN al ARN (ácido ribonucleico) y luego a las proteínas. Científicos galardonados con el Premio No- bel de Fisiología y Medicina 1962 por sus Fig. 10 Watson, James y Crick, Francis La era de la biología molecular se inició en 1953 con el descubrimiento de la biología molecu- lar del ADN por parte de F. Crick y J. Watson. La Termodinámica estudia las leyes que gobiernan la transferencia de energía y, por lo tanto, las bases de la vida en la Tierra. Dos leyes fundamentales la gobiernan: la de la conservación de la materia y la energía, El Universo está compuesto de materia y Energía. Albert Einstein (1905) fue el científico que encontró la relación entre ambas: E=mc2 donde c = velocidad de la luz e introdujo a la humanidad en la era atómica... Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 15 Biología I Guía Didáctica Ilustrada 1.La Nueva Genética En la historia de la Genética hay un "antes del DNA" y un "después del ADN" que la dividen en dos lapsos de tiempo más o menos equivalentes: desde 1865 en que Mendel hizo públicos sus experimentos y 1900 en que se "redescubren" las leyes de Mendel hasta 1944 -el "antes del ADN- y desde 1944 hasta nuestros días, el "después del ADN". En el desarrollo cronológico de la Genética se pueden diferenciar las siete etapas siguientes en función de la investigación prioritaria que en ellas se desarrollaba: 1865, 1900 a 1940: Genética de la transmisión 1940 a 1960: Naturaleza y propiedades del material hereditario 1960 a 1975: Mecanismos de acción génica (Código, regulación, desarrollo) 1975 a 1985: Nueva Genética (basada en la tecnología de los ácidos nucleicos) 1985 a 1990: Genética Inversa (análisis genético del genotipo al fenotipo, del gen al carácter) 1990 a 1995: Transgénesis: Transferencia horizontal de genes (plantas y animales transgéni- cos; terapia génica humana) 1995 a hoy: Genómica: Disección molecular del genoma de los organismos (desde las bacterias hasta el hombre: Proyecto Genoma Humano. 1940 a 1960: Naturaleza y propiedades del material hereditario El año 1944 es fundamental en la historia de la Genética porque en él se identificó al ácido desoxirribonucleico (ADN) como la base molecular de la herencia: los genes son DNA. No obs- tante, la comunidad científica se mostraba reacia a aceptar tal hecho porque estaba muy arraigada la creencia de que los genes tenían que ser proteínas y tuvieron que transcurrir to- davía otros ocho años más hasta que, en 1952, otra evidencia experimental distinta (la infec- ción de bacterias con virus radiactivos) ratificaba la identificación del ADN como material hereditario. Al año siguiente, en 1953, fue cuando Wat- Real Academia Española en su Diccionario son y Crick propusieron su modelo estruc- como "operar con las manos o con cualquier tural de la doble hélice. A partir de en- instrumento" y no en el otro sentido peyo- tonces el progreso de la ciencia Genética rativo posible. fue continuo y acelerado, pasando de los 1960 a 1975: Mecanismos de acción génica abstractos "factores hereditarios" men- (Código, regulación, desarrollo) delianos a los genes tangibles y manipu- 1975 a 1985: Nueva Genética (basada en lables: la tecnología de los ácidos nucleicos) Los genes son fragmentos más o menos largos de ADN Fig.11 que se pueden identi- ficar y aislar de entre toda la masa molecu- lar de ADN que constituye el genoma de un organismo, se pueden caracterizar (es de- cir, conocer el mensaje genético que lle- van), transferir de unas células a otras y de unos individuos a otros, sean o no de la misma especie. Se trata, pues, de la mani- pulación genética, entendiendo el término Fig. 11 Microtografia de un cromosoma. "manipular" en el sentido que lo define la En la década 1975-1985 se desarrollaron las técnicas moleculares de fragmentación, hibrida- ción, secuenciación y amplificación del ADN.que permiten, respectivamente: Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 16 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Cortar moléculas de ADN, localizar genes concretos hibridando sondas marcadas, leer el men- saje genético, multiplicar millones de veces la cantidad de ADN. Esta tecnología de los ácidos nucleicos es la que ha hecho manipulables a los genes: es la manipulación genética. 1990 a 1995: Transgénesis: Transferencia horizontal de genes (plantas y animales transgéni- cos; terapia génica humana) Organismos modificados genéticamente: Microorganismos libera- dos al medio ambiente, Animales transgénicos, Plantas transgénicas. El conocimiento del código genético, los avances en la informática y la aplicación de la biotecno- logía al campo de la alimentación ha supuesto el espectacular desarrollo de la ingeniería genéti- ca”. Se denominan alimentos transgénicos a los presas multinacionales, encabezadas por la obtenidos por manipulación genética que estadounidense Monsanto y la suiza Novar- contienen un aditivo derivado de un orga- tis. Sus principales productos son soya, nismo sometido a ingeniería genética; tomate, papa, algodón y maíz resistentes, a La era de los denominados «alimentos herbicidas unos, y a plagas, otros. Fig.13 transgénicos» para el consumo humano di- recto se inauguró el 18 de mayo de 1994, cuando la Food and Drug Adminístration de los Estados Unidos autorizó la comerciali- zación del primer alimento con un gen «ex- traño» el tomate Flavr-Savr; obtenido por la empresa Calgene. Desde entonces se han elaborado cerca de cien vegetales con ge- nes ajenos insertados. Fig. 12 Los produc- tos que resultan de la manipulación genética se pueden clasificar de acuerdo con los siguientes criterios: bacterianas patógenas Fig.12 Elaboración de los cultivos transgénicos resistentes a antibióticos constituye un www.kensbiorefs.com/MolecularGen.html peligro para la salud pública. También las nuevas variedades de plantas transgénicas artificiales podrían tener efectos patógenos, por lo que deben ser sometidas a las pruebas habituales de ino- cuidad. De hecho, no se conoce un solo caso de planta modificada genéticamente que haya supuesto un problema para la salud humana. Fig.13 Maíz transgénico Los alimentos transgénicos son aquellos de Los cultivos transgénicos en mención no son origen animal o vegetal cuya composición seguros biológicamente. Se ha descubierto genética ha sido manipulada para aumentar que los productos genéticos introducidos en su poder nutricional o rendimiento, hacién- los alimentos y en otros cultivos como los dolos más resistentes a plagas o almacena- plaguicidas son fuertes inmunógenos y alér- mientos prolongados. La mayoría de los genos, se ha demostrado que los cultivos productos transgénicos son alimentos, se- transgénicos provocan la esterilidad mascu- millas e insumos agrícolas y fármacos des- lina de la planta. arrollados por un poderoso grupo de em- Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 17 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Donde si ha producido graves y repetidos problemas ha sido en la ganadería que en forma abu- siva, es alimentada con productos manipulados genéticamente. Desde la enfermedad de las vacas locas inglesas hasta las dioxinas de los pollos belgas, tenemos pruebas que así lo confir- man. En mayo de 1999 un grupo de la Universidad de Cornell anunció en Nature que el maíz transgénico Bt incrementa la mortalidad de la mariposa monarca. 1995 La hoy: Genómica: Disección molecular del genoma de los organismos (desde las bacterias hasta el hombre: Proyecto Genoma Humano). El DNA y la ingeniería genética. La Ingeniería Genética es una rama de la genética que se concentra en el estudio del ADN, pero con el fin de su manipulación. En otras palabras, es la manipulación genética de organismos con un propósito predeterminado. Aplicaciones.-La Ingeniería genética tiene numerosas aplicaciones en campos muy diversos, que van desde la medicina hasta la industria, los usos existentes de estas técnicas de manipu- lación genética: la terapia génica, y la biotecnología.Algunos métodos de manipulación son: Enzimas de restricción. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restric- ción, producidas por varias bacterias. Estas enzimas tienen la capacidad de reconocer una se- cuencia determinada de nucleótidos y extraerla del resto de la cadena. Esta secuencia, que se denomina Restriction Fragment Lenght Polymophism o RLPM, puede volver a colocarse con la ayuda de otra clase de enzimas, las ligasas. Análogamente, la enzima de restricción se convier- te en una "tijera de ADN", y la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro. Vectores. Partes de ADN que se pueden autorreplicar con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores permiten obtener múltiples copias de un trozo específi- co de ADN, lo que proporciona una gran cantidad de material fiable con el que trabajar. El pro- ceso de transformación de una porción de ADN en un vector se denomina clonación. Pero el concepto de clonación que "circula" y está en boca de todos es más amplio: se trata de "fabricar", por medios naturales o artificiales, individuos genéticamente idénticos. Es el pro- cedimiento científico que consiste en tomar el material genético de un organismo para obtener otro idéntico, denominado clon. A través de la clonación, no hay una unión de óvulos con esper- matozoides. ADN polimerasa. Otro método para la producción de réplicas de ADN descubierto reciente- mente es el de la utilización de la enzima polimerasa. Éste método, que consiste en una verda- dera reacción en cadena, es más rápido, fácil de realizar y económico. Terapia Génica. La terapia génica consiste en la aportación de un gen funcionante a las célu- las que carecen de esta función, con el fin de corregir una alteración genética o enfermedad adquirida. La terapia génica se divide en dos categorías. Alteración de células germinales (espermatozoides u óvulos), lo que origina un cambio perma- nente de todo el organismo y generaciones posteriores. Esta terapia no se utiliza en seres humanos por cuestiones éticas. Terapia somática celular. Uno o más tejidos son sometidos a la adición de uno o más genes terapéuticos, mediante tratamiento directo o previa extirpación del tejido. Esta técnica se ha utilizado para el tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas o pulmonares. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 18 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Usos de la terapia génica. "En marzo de 1989, los investigadores norteamericanos Steve Rosenber y Michael Blease, del Instituto Nacional del Cáncer, y French Anderson, del Institu- to Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre, anunciaron su intención de llevar a cabo un inter- cambio de genes entre seres humanos, concretamente en enfermos terminales de cáncer. Los genes trasplantados no habían sido diseñados para tratar a los pacientes, sino para que actuaran como marcadores de las células que les fueron inyectados, unos linfocitos asesinos llamados infiltradores de tumores, encargados de aniquilar las células cancerígenas. Las vícti- mas de cáncer murieron, pero la transferencia había sido un éxito "Este fue uno de los prime- ros intentos de utilizar las técnicas de IG con fines terapéuticos. A través de una técnica de sondas genéticas, se puede rastrear la cadena de ADN en busca de genes defectuosos, responsables de enfermedades genéticas graves. El Proyecto Genoma Humano. El Proyecto Genoma Humano investigación internacional, se inició oficialmente en 1990 como un programa de quince años con el que se pretendía registrar los 80.000 genes que codifican la información necesaria para construir y mantener la vida., que busca seleccionar un modelo de organismo humano por medio del mapeo de la secuencia de su ADN. Con los rápidos avances tecnológicos en (2003), se produjo el mapeo casi completo del mismo. Se identificaron los aproximadamente 30000 - 40000 genes humanos en el ADN. Y se ha de- terminado la secuencia de 3 billones de bases químicas que conforman el ADN. El conocimien- to del Genoma Humano ha permitido identificar y caracterizar los genes que intervienen en las principales enfermedades genéticas, lo que hará posible el tratamiento mediante terapia géni- ca a casi todas las enfermedades que tengan un posible origen genético. Recientemente se ha completado el mapeo del genoma de unas plantas, animales y del genoma humano, Fig. 14 es decir, la secuenciación del mensaje de DNA que determina mucha de las capacidades innatas y la predisposición a determinadas enfermedades o a ciertas formas de comportamiento. FIG. 14 GENOMA DE PLANTAS, ANIMALES Y DEL GENOMA HUMANO, NÚMERO DE GENES Virus de la Mycoplasma Escherichia Drosophila Caenorhabitis Arabidopsis Oriza Homo gripe genitalium coli melanogaster elegans thaliana sativa sapiens 30.000 ~1.800 ~500 ~4.000 ~13.000 ~18.000 ~25.500 ~50.000 ¿40.000? Si bien la información del Genoma Humano fue recientemente descubierta, ya se han localiza- do los "locus" de varias enfermedades de origen genético. He aquí algunas: Hemofilia – Alco- holismo – Corea de Huntigton – Anemia Falciforme – Fibrosis quística Hipotiroidismo Congénito – Retraso Mental – Miopatía de Duchenne – Maníacodepresión – Esquizofrenia – Síndrome de Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 19 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Lesch Nyhan – Deficiencia de ADA – Hidrocefalia – Microcefalia – Labio Leporino – Ano Imper- fecto o Imperforación – Espina Bífida. Otra técnica peculiar inventada recientemente es la del xenotransplante. Consiste en inocular genes humanos en cerdos para que crezcan con sus órganos compatibles con los humanos, a fin de utilizarlos para transplantes. Biotecnología. Las biotecnologías consisten en la utilización de bacterias, levaduras y células animales en cultivo para la fabricación de sustancias específicas. Permiten, la aplicación integrada de los conocimientos y técnicas de la bioquímica, la microbiología y la ingeniería química aprovechar en el plano tecnológico las propiedades de los microorganismos y los cultivos celulares. Permiten producir a partir de recursos renovables y disponibles en abundancia gran número de sustan- cias y compuestos. Aplicadas a escala industrial, constituyen la bioindustria, la cual comprende las actividades de la industria química: síntesis de sustancias Aromáticas saborizantes, materias plásticas, pro- ductos para la industria textil; en el campo energético la producción de etanol, metanol, bio- gas e hidrógeno; en la biominetalurgia la extracción de minerales. Además, en algunas activi- dades cumplen una función motriz esencial: la industria alimentaria (producción masiva de levaduras, algas y bacterias con miras al suministro de proteínas, aminoácidos, vitaminas y en- zimas); producción agrícola (donación y selección de variedades a partir de cultivos de células y tejidos, especies vegetales y animales trangénicas, producción de bioinsecticidas); industria farmacéutica (vacunas, síntesis de hormonas, interferones y antibióticos); protección del me- dio ambiente (tratamiento de aguas servidas, transformación de deshechos domésticos, de- gradación de residuos peligrosos y fabricación de compuestos biodegradables). Los procesos biotecnológicos más recientes se basan en las técnicas de recombinación genética y sus aplica- ciones más comunes son: Industria Farmacéutica. Obtención de vacunas recombinantes. El sistema tradicional de obtención de vacunas a partir de microorganismos patógenos inactivos, puede comportar un riesgo potencial. Muchas vacunas, como la de la hepatitis B, se obtienen actualmente por IG. Como la mayoría de los fac- tores antigénicos son proteínas lo que se hace es clonar el gen de la proteína correspondiente. Fig. 15 Producción vacuna hepatitis B www.porquebiotecnologia.com.ar/. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 20 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Obtención de proteínas de mamíferos. Una serie de hormonas como la insulina, Fig. 16, la hormona del crecimiento, facto- res de coagulación, etc. tienen un interés médico y comercial muy grande. Antes, la obtención de estas proteínas se realizaba mediante su extracción directa a partir de tejidos o fluidos corporales. En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorga- nismos adecuados para su fabricación co- mercial. Un ejemplo típico es la producción de insu- lina que se obtiene a partir de la levadura Sacharomices cerevisae, en la cual se clona el gen de la insulina humana. Fig. 16 Obtención de insulina. Agricultura. Mediante la ingeniería genética han podido modificarse las carac- terísticas de gran cantidad de plantas para hacerlas más útiles al hombre, son las llamadas plantas transgénicas. Un ejemplo muy característico: la soya transgénica. Fig. 17 Las primeras plantas obtenidas mediante estas técnicas fueron un tipo de tomates, en los que sus frutos tardan en madurar algunas semanas después de haber sido cosechados. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 21 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Las técnicas de modificación genética en cultivos celulares. Las técnicas se clasifican en direc- tas e indirectas. Clonación de células mediada por Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria puede considerarse como el primer ingeniero genético, por su particular mecanismo de acción: es capaz de modificar genéticamente la planta hospedadora, de forma que permite su repro- ducción. Esta bacteria es una auténtica provocadora de un cáncer en la planta en la que se hos- peda. Entre los principales caracteres que se han transferido a vegetales: Resistencia a herbicidas, insectos y enfermedades microbianas. Ya se dispone de semillas de algodón, que son insensi- bles a herbicidas. Para la resistencia a los insectos se utilizan cepas de Bacillus thuringiensis que producen una toxina (toxina - Bt) dañina para las larvas de muchos insectos, de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas transgénicas con este gen. Incremento del rendimiento fotosintético. Para ello se transfieren los genes de la ruta foto- sintética de plantas C4 que es más eficiente. Mejora en la calidad de los productos agrícolas. La soya transgénica que produce aceite modificado, que no contienen los caracteres indeseables de las plantas comunes. Síntesis de productos de interés comercial. Existen ya plantas transgénicas que producen anticuerpos animales, interferón, e incluso ele- mentos de un poliéster destinado a la fabricación de plásticos biodegradables Bioética En 1971, el oncólogo y humanista norteamericano Van Rensselaer Potter escribió el primer libro de la historia que llevaba por título el término bioética con el propósito de "contribuir al futuro de la especie humana promocionando la formación de una nueva disciplina: la BIOÉTI- CA". Potter justificaba su esfuerzo en el prefacio de la obra diciendo: Hay dos culturas -ciencias y humanidades- que parecen incapaces de hablarse una a la otra y si ésta es parte de la razón de que el futuro de la humanidad sea incierto, entonces posiblemente podríamos construir un "puente hacia el futuro" (que es el subtítulo de la obra) construyendo la disciplina de la Bioética como un puente entre las dos culturas. Los valores éticos no pueden ser separados de los hechos biológicos. La humanidad necesita urgentemente de una nueva sabiduría que le proporcione el "conocimiento de cómo usar el conocimiento" para la supervi- vencia del hombre y la mejora de la calidad de vida. Para esta nueva ciencia, construida sobre la propia Biología e incluyendo además la mayoría de los elementos esenciales de las ciencias sociales y humanísticas, propuso Potter el nombre de BIOÉTICA. La Bioética intenta relacionar nuestra naturaleza biológica y el conocimiento realista del mundo biológico con la formulación de políticas encaminadas a promover el bien social. Por ello, en su más amplio sentido, la Bioética puede referirse directamente al hombre mismo - ya sea a nivel individual, de población o de especie- o indirectamente cuando el problema bio- ético afecta a su entorno ecológico, tanto si se refiere a los seres vivos (plantas o animales) como a la naturaleza inanimada. La Bioética consiste, por tanto, en el diálogo interdisciplinar entre vida y ética. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 22 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Bioética y Sociedad El 11 de Noviembre de 1997, la UNESCO aprobó la Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos en cuyo texto hace referencia a la necesidad de educar a la sociedad en Bioética y a institucionalizar la presencia de los comités de Bioética en la toma de decisiones. Así, los 186 países pertenecientes a la UNESCO reconocían en el documento la ne- cesidad de: * Promover la educación en bioética, a todos los niveles * Concienciar a los individuos y a la sociedad de su responsabilidad en la defensa de la dignidad humana en temas relacionados con la Biología, la Genética y la Medicina * Favorecer el debate abierto social e internacional, asegurando la libertad de expresión de las diferentes corrientes de pensamiento, socioculturales, religiosas y filosóficas * Promover la creación, a los niveles adecuados, de Comités de Bioética independientes, pluri- disciplinares y pluralistas. 1.4 CARACTERÍSTICAS E IMPORTANCIA DEL MÉTODO CIENTÍ- FICO EN LA INVESTIGACIÓN BIOLÓGICA. La ciencia constituye un intento lógico, objetivo y repetible de comprender las fuerzas y prin- cipios que operan en el universo. La ciencia palabra que deriva del latín scientia, conocer y debe entenderse como un proceso que avanza probando y evaluando. Los científicos deben seguir una sistematización para obte- ner una deducción válida acerca de algo. Para considerar a un conocimiento como científico es necesario, esta sistematización y se re- sume en el llamado método científico. Sus pasos o etapas son: Observación: El primer paso en cualquier investigación es la OBSERVACIÓN, Durante ella se define el problema que se desea explicar y se recolectan y clasifican los datos que aportan al hecho. La observación consiste en fijar la atención en una porción del Universo. Mediante la observación nosotros identificamos un problema o pregunta generados por la cu- riosidad del observador. La pregunta surgida debe ser congruente con la realidad o el fenómeno observado, y debe ad- herirse a la lógica. El investigador siempre debe tener en cuenta que las preguntas que comien- zan con un "por qué" son muy difíciles (si no imposibles) de contestar. El investigador prefiere comenzar sus preguntas con un "qué", un "cómo", un "dónde", o un "cuándo", el observador, me- diante razonamiento inductivo, trata de dar una o más respuestas lógicas a las preguntas. Cada respuesta es una introducción tentativa que puede servir como una guía para el resto de la investigación. Estas soluciones preliminares a un problema son las HIPÓTESIS. Hipótesis: una o más explicaciones confrontables de lo observado, es una declaración que puede ser falsa o verdadera, y que debe ser sometida a comprobación (experimentación). Cada hipótesis debe ser sometida a una prueba exhaustiva llamada experimentación. Los resul- tados de la experimentación determinarán el carácter final (falso o verdadero) de la hipótesis. Por ejemplo, "Probablemente durante la fotosíntesis las plantas crean su propio alimento". Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 23 Biología I Guía Didáctica Ilustrada Experimentación: Intentos controlados de comprobar una o mas hipótesis. La EXPERI- MENTACIÓN consiste en someter a un sujeto o proceso a variables controladas de manera artificial. La experimentación controlada es una característica propia del método científico. Conforme la investigación avanza, las hipótesis falsas se rechazan una a una, hasta obtener la respuesta más plausible de todas las hipótesis que se presentaron inicialmente. Conclusión: Luego que una hipótesis ha sido repetidamente comprobada ¿se avaló o no la hipótesis? Luego de esta etapa la hipótesis es modificada o rechazada (lo que causa la re- petición de las etapas anteriores). Cuándo la hipótesis se verifica, surge una nueva jerarquía de conocimiento, entonces se proce- sa la declaración final, que en ciencias se llama TEORÍA. Por Ej.: la teoría de La gran explosión (Big Bang). Teoría- Teoría es una declaración parcial o totalmente verdadera, verificada por medio de la experimentación o de las evidencias y que sólo es válida para un tiempo y un lugar determina- dos. Por ejemplo, "las plantas con clorofila fabrican su propio alimento durante la fotosíntesis". Si la teoría se verificara como verdadera en todo tiempo y lugar, entonces es considerada co- mo LEY. Ley- Una teoría está sujeta a cambios, una ley es permanente e immutable. Una ley es compro- bable en cualquier tiempo y espacio en el Cosmos. Sin embargo, una teoría es verdadera sólo para un lugar y un tiempo dados. Una ley es el conocimiento de uno de los principios fundamentales de organización del universo Por ejemplo, la Evolución es una teoría que se perfecciona de acuerdo a nuevos descubrimien- tos, mientras que lo relacionado con la Gravitación de Newton es una ley, pues ocurre en todo tiempo y lugar del universo conocido. Las Leyes de la Termodinámica, El conocimiento científico divulgada o revelada por medios orales o escritos, debe ser apropia- damente corroborado a través del MÉTODO CIENTÍFICO.. El razonamiento y conocimiento científico está basado en hechos comprobables por cualquier persona con los medios adecuados para hacerlo, se basa en observaciones de la naturaleza, en hechos naturales susceptibles a ser observados o advertidos por cualquier persona, ya sea con los sentidos naturales o con equipo adecuado, se basa en hechos naturales repetitivos, esto es, hechos que ocurren con la frecuencia suficiente como para que más otras personas sean capa- ces de corroborar el hecho, genera declaraciones que deben ser susceptibles a verificaciones rigurosas, debe ser congruente con la realidad observada, nunca genera conclusiones a partir de simples ideas, sino ideas a partir de hechos observables, cuando una idea se genera a partir de hechos observables y es verificada como cierta, esa idea se reserva al plano de las teorías, y leyes. Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 24 Biología I Guía Didáctica Ilustrada ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE 1.- QUE ESTUDIA LA BIOLOGÍA. MAPA CONCEPTUAL. En este tema se recurrirá a la teoría constructivita, así como en forma expositiva. Inicialmente con la participación directa de los alumnos a través de la exploración de sus conocimientos previos, planteamientos, interpretación y análisis y ejemplificación para cada caso de los mismos, poste- riormente se integrarán éstos en el modelo conceptual. Conocimientos previos: Etimología de la palabra biología, Concepto materia. Clasificación de la materia. Características de materia orgánica. Diferencias. Ejemplificación. Conocimientos adquiridos. Concepto de biología.Concepto de materia.Clasificación o tipos de materia. Características de ma- teria orgánica. Ejemplificación. Conocimientos previos MAPA CONCEPTUAL Que estudia la Biología? R= materia viva u orgánica Antecedentes Raíces Biología Concepto de Biología Bios=vida logos=estudio Define Aprende Materia Concepto de Materia Clasifica Clasifica Orgánica Materia orgánica e Materia Inorgánica Inorgánica Diferencia Caracteriza Materia viva Por sus Características Mediante Mediante Ejemplifica Ejemplifica c/u c/u Toda materia que reúna estas Conoce y comprende lo características es materia viva y Integra que estudia la materia por lo tanto lo estudia la biología orgánica o viva Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 25 Biología I Guía Didáctica Ilustrada 2.- ACTIVIDAD PRÁCTICA: MICROSCOPIO. El Microscopio óptico, es el instrumento básico para el biólogo, por esto es necesario conocer sus principios generales. El aspecto práctico, es fundamental en el conocimiento y aprendizaje de la materia, se pretende como punto de partida introducir al alumno en el manejo, uso y cuidados del microscopio. Básicos los conocimientos previos de los alumnos, se recurre a sus habilidades motoras, actitu- des y se desarrolla el aspecto afectivo, ya que a nivel laboratorio se trabaja en equipo, lo que per- mite que el docente sea un orientador y guía en esta actividad. El aspecto expositivo, previo a la práctica es básico, donde se orienta en el contenido, metodología y desarrollo de la misma hasta su culminación en un reporte escrito, bajo un lineamiento establecido donde se discuten y conclu- yen los conocimientos adquiridos. MICROSCOPIO OBJETIVOS Conocer el manejo, uso y cuidado del microscopio. CONCEPTOS Material básico Sistema óptico Sistema Sistema iluminación mecánico METODOLOGIA Microscopio, porta Ajuste lentes Elabore su Gire el tornillo y cubre objetos, oculares y objetivo preparación y macrométrico para muestra de menor aumento colóquela sobre la enfocar y de mayor platina nitidez con el micrométrico HABILIDADES MOTORAS Preparación de Saber enfocar Destreza manual Dispóngase muestra a observar Maestría en Ciencias en Enseñanza de las Ciencias 26