Semana 1 - Teoría - Los seres vivos y su ambiente (PDF)

FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] BIOLOGÍA La Biología es una disciplina científica cuyo nombre tiene origen en las raíces griegas bio: vida y logos: estudio, ciencia o tratado, definiéndose entonces como "la ciencia de la vida ". En su desarr...

FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] BIOLOGÍA La Biología es una disciplina científica cuyo nombre tiene origen en las raíces griegas bio: vida y logos: estudio, ciencia o tratado, definiéndose entonces como "la ciencia de la vida ". En su desarrollo han contribuido principalmente dos teorías: La "Teoría Celular", de Matthias Jakob Schleiden, Friedrich Theodor Schwann y Rudolf Virchow y la “Teoría Evolutiva” de Charles Darwin, manifestada en su obra "El origen de las especies". Matthias Schleiden Theodor Schwann Rudolf Virchow Charles Darwin Como consecuencia de estos avances, y el aporte de otras disciplinas como la física y la química, el siglo XX representa el triunfo del método experimental en todas las esferas de la biología. En vista del avance de la biología como disciplina científica empezaron a surgir varias sub-disciplinas: botánica, zoología, fisiología, farmacología, embriología, biología celular, microbiología, parasitología, ecología. Asimismo, y de la relación de la biología con otras disciplinas surgieron otras sub- disciplinas: bioquímica, biofísica, bioestadística. En los últimos años han surgido nuevas líneas de investigación en: bioinformática, biotecnología, biología molecular, ingeniería genética, que vienen realizando trabajos de investigación como la producción de plantas y animales transgénicos, el proyecto ya concluido del genoma humano (PGH) y la clonación, que permiten colocar a la biología como una de las ciencias de mayor importancia a nivel mundial, y con un gran potencial de seguir desarrollándose en el futuro, lo cual constituye un reto para los biólogos a seguir investigando. Gracias a la globalización de las comunicaciones, los conocimientos fundamentales de biología son parte importante del bagaje cultural humano, motivo por lo cual la presente obra busca ser una herramienta adecuada para los alumnos interesados en esta rama del conocimiento. CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Zoología Botánica Ecología Microbiología Embriología Parasitología Biología celular Fisiología CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] LA VIDA Definir la vida es un asunto muy complicado, es por ello que la Biología, más que en definirla, consagra su estudio en aquellas características que todos los seres vivos comparten. Características de los Seres Vivos 1. Son estructuras complejas altamente organizadas, compuestas fundamentalmente de elementos químicos como carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno organizados en moléculas complejas: las Macromoléculas Biológicas. Estas macromoléculas forman parte de las organelas, que constituyen la célula, la que forma tejidos, los que componen órganos, que a su vez forman parte de sistemas y aparatos, estructurando estos últimos a los organismos. 2. Requieren de un aporte constante de energía para crecer, responder a estímulos, reproducirse, reemplazar células gastadas, etc. (Fig.1). Las actividades químicas dan la energía y la materia que necesitan los seres vivos. La suma de todas estas actividades químicas se conoce como Metabolismo. Fig 1: Transformación de la energía de la célula Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings Casi toda la energía que utilizan los seres vivos proviene originalmente del Sol, y aquellos que puedan captarla la almacenan en moléculas biológicas, las que pueden ser desintegradas posteriormente actuando como alimentos. Por el constante intercambio de materia y energía entre los seres vivos y su medio se dice que son sistemas termodinámicamente abiertos. 3. Están formados por unidades estructurales llamadas Células. Algunos organismos, como la ameba, están formados por una sola célula (Organismos CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Unicelulares); otros organismos, como los hongos, plantas y animales, se componen de muchas células (Organismos Pluricelulares). (Fig. 2) Fig 2: Los tres dominios de la vida Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings 4. Pueden crecer gracias a las sustancias que incorporan del medio, aumentando su volumen. Para ello las sustancias incorporadas deben organizarse en moléculas biológicas dentro de las células. Los organismos unicelulares crecen aumentando la masa celular y los organismos pluricelulares pueden aumentar la masa de cada célula y también aumentar el número total de células. (Fig. 3) Fig 3: Crecimiento de las células 5. Se reproducen. Los seres vivos son capaces de organizar nuevos organismos vivos, sus descendientes (Fig. 4). La reproducción no es CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] necesaria para la supervivencia individual, pero sí lo es para la supervivencia de la especie. Hay 2 tipos de reproducción: Asexual, donde un solo progenitor da origen a uno o más individuos. Sexual que involucra la unión de células especializadas (gametos) para formar un nuevo individuo. Fig. 4: Esquema de la reproducción en el ser humano. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings 6. Heredan sus características a la descendencia. La descendencia de un ser vivo se parece mucho a él y a los de su especie, gracias a la transmisión de unidades hereditarias: los genes. 7. Son capaces de variar y adaptarse. Los descendientes de un ser vivo manifiestan algunas diferencias con su progenitor y con el resto de su especie (variación). Las variaciones permiten que algunos organismos estén mejor capacitados para reproducirse en un determinado ambiente (adaptación), por lo que tienen una descendencia más numerosa. Al cabo de un período largo de tiempo las características de las especies cambian gracias a la colección de estas características ventajosas entre sus miembros (evolución). (Fig. 5) CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Fig. 5: Evolución de algunos vegetales por selección artificial Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings 8. Tienen un tiempo de vida. Una vez organizados por sus progenitores crecen y alcanzan una madurez, luego de la cual dejan de existir ya sea por muerte o porque su reproducción implica su desaparición. El período de vida de un organismo es variable, pero el fin de su vida es necesario para evitar la competencia con descendientes mejor adaptados. (Fig. 6) Efemerópteros adultos Jeanne Louise Calment Almeja de Islandia 1 días 122 años Alrededor de 400 años Fig. 6: Tiempo de vida variable de los seres vivos Recuperado de: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported 9. Son capaces de interactuar con el medio ambiente. Los seres vivos responden a cambios en su entorno. Estas respuestas pueden ser modificaciones (adaptaciones) a determinada forma de vida, o respuestas específicas a determinados estímulos temporales (irritabilidad). (Fig. 7) Fig. 7: Respuesta a los estímulos CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] ECOLOGÍA La ecología realiza el estudio de las interacciones que establecen unos organismos con otros y con su ambiente físico. Como ciencia, intenta descubrir de qué manera los organismos afectan y son afectados por el ambiente biótico y abiótico y determinan las clases y números de organismos que se encuentran en un lugar particular en un momento determinado. El término ecología fue acuñado por el biólogo y filósofo prusiano Ernst Haeckel (1834-1919), pero ha sido más recientemente que los biólogos fueron capaces de idear la forma de analizar la multitud de variables que afectan a los organismos en su ambiente natural, de estudiarlos cuantitativamente y de construir modelos, establecer hipótesis y someter a prueba las predicciones. (Fig.8) En el mundo actual, con la creciente urbanización, explosión demográfica, explotación inadecuada de los recursos y contaminación ambiental, se debe prestar particular atención a la ecología para tratar de conocer, proteger, conservar y mejorar el medio ambiente que nos rodea y las especies animales y vegetales que Fig. 8: Ernst Haeckel conforman la «vida natural» cada vez más escasa. Se pueden reconocer dos subdivisiones en la ecología: - Autoecología: Estudio de las necesidades y las relaciones que un individuo presenta con el medio ambiente. (Fig.9) - Sinecología: Estudio de las relaciones que se establecen entre una comunidad natural, en la cual coexisten diferentes especies animales y vegetales, con su ambiente. (Fig.10) Fig. 9: Escarabajo hércules Fig. 10: Comunidad Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings CONCEPTOS FUNDAMENTALES CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Población: Es el grupo de organismos de la misma especie que viven en la misma localidad. Por ejemplo, una población de tréboles, de ratones, de conejos, de algas, etc. Comunidad biótica: Es un grupo de poblaciones que viven en un área o en un hábitat físico determinado. Es decir, la diversidad de organismos que conviven en un ecosistema forma una comunidad biótica. Por ejemplo, en un lago de agua dulce, la comunidad está formada por algas, diatomeas, colonias de bacterias, peces, gusanos, escarabajos, etc. Hábitat: Son localidades específicas que habitan los seres vivos. Es el lugar en donde vive un organismo o donde uno lo buscaría. Puede referirse a poblaciones; así, por ejemplo, el hábitat del «nadador de espalda» (Notonecta) son las áreas de agua somera (zona litoral) de vegetación tupida, de los estanques o lagos. Puede referirse, así mismo, al lugar ocupado por una comunidad entera. Nicho ecológico: Dentro de un hábitat, cada especie tiene un nicho ecológico u ocupación que es la función natural de la especie en el ecosistema. El conocimiento del nicho ecológico nos da la posición trófica de una especie; dónde, cuándo, cómo y a expensas de quién se alimenta, qué especie depreda sobre ella, etc. Una analogía muy simple dice que el nicho es la «profesión» de un organismo. Ecosistema: Está compuesto por una parte biótica (viva), es decir, por los organismos que convienen en él y que forman una comunidad o biocenosis; y por una parte abiótica o biotopo (no viva), formada por el ambiente físico que ejerce influencia sobre la parte viva. Un ecosistema puede ser, por ejemplo, una simple pecera que contiene un caracol, peces, plantas acuáticas, agua y arena, o puede ser grande como un bosque, un río, un estanque o un lago de agua dulce. DINÁMICA DE POBLACIONES Es una rama de la ecología que estudia los cambios que experimentan las en relación a su tamaño, composición, edad, sexo y demás parámetros que las definen. Adicionalmente, estudia qué factores causan esos cambios, así como los mecanismos por los que se producen. El conocimiento de la dinámica de poblaciones no es solo un fundamento esencial para el estudio de las diversas interacciones entre los grupos de organismos, sino también tiene una importancia práctica enorme. Por ejemplo, la explotación pesquera tiene como objetivo alcanzar una cosecha máxima, económicamente valiosa, lo que requiere entre otros factores, la determinación del número de peces que pueden ser capturados cada año, y que asegure, a la vez, que la población remanente producirá suficiente cantidad de peces para obtener cosechas apreciables en los años siguientes. Fases del crecimiento poblacional CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Toda población que cuenta con el alimento suficiente y, en ausencia de depredación, crecerá según se muestra en la Fig.11. - Fase de aceleración Se inicia lentamente al estabilizarse la población y va acelerando hasta llegar a la fase exponencial. - Fase exponencial Representa la tasa máxima de crecimiento poblacional para una especie determinada ante condiciones ideales; le sigue una fase de crecimiento desacelerado. - Fase de crecimiento desacelerado Es la resistencia ambiental al desarrollo poblacional, factor que actúa ya sea incrementando la tasa de mortalidad o disminuyendo la de natalidad. - Fase de población constante Se alcanza cuando la población se encuentra en equilibrio dinámico con respecto al medio y se caracteriza por una tasa de crecimiento igual a cero (tasa de natalidad = tasa de mortalidad). Fig. 11: Curva de Crecimiento Poblacional Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings Limitaciones del crecimiento poblacional El crecimiento de una población se ve limitado por la resistencia ambiental, que actúa a través de los siguientes factores: ✔ La disponibilidad de alimento, luz, agua y oxígeno ✔ La disponibilidad del espacio vital ✔ La presencia de depredadores ✔ La acumulación de productos tóxicos de desecho ✔ La presencia de plagas y enfermedades ✔ La alteración del comportamiento INTERACCIONES EN LAS COMUNIDADES En ecología una comunidad está comprendida por todas las poblaciones de CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] organismos que habitan un ambiente común y que interactúan de manera recíproca. Estas interacciones son las fuerzas principales de la selección natural y ejercen influencias sobre el número de individuos de cada población, así como sobre el número y tipos de especies existentes en la comunidad. Las interacciones entre las diferentes poblaciones son extremadamente variadas. 1. Competencia Interacción entre individuos de la misma especie (competencia intraespecífica) o de especies diferentes (competencia interespecífica) que utilizan el mismo recurso, el cual, generalmente, existe en cantidad limitada. (Fig. 12) Como resultado de la competencia, el éxito en la reproducción de los individuos puede verse reducido. Fig. 12: Competencia Entre los muchos recursos por los cuales los organismos pueden competir están el alimento, el agua, la luz, el espacio vital, e incluso los sitios de anidación o las madrigueras, así como por el acceso a las hembras. La competencia es generalmente mayor entre los organismos que tienen requerimientos y estilos de vida similares. Las plantas compiten con otras plantas por luz solar y agua; los herbívoros compiten con otros herbívoros por alimento. Los resultados de los experimentos del biólogo Gause con dos especies de Paramecium demostraron que, si dos especies se encuentran en competencia directa por el mismo recurso limitado, una elimina a la otra. Cuando Paramecium caudatum (líneas amarillas) y Paramecium Aurelia (líneas verdes) se cultivan en medios separados mantienen su nivel constante de población. En cambio, puestos en el mismo medio después de algunos días sobrevive solamente uno de ellos. Esto debido a la competencia por la cantidad limitada de alimento en las condiciones existentes. (Fig. 13) CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Fig. 13: Resultados de los experimentos de Gause con dos especies de Paramecium 2. Depredación Es la ingestión de organismos vivos, incluyendo plantas por animales o animales por animales. (Fig. 14) Fig. 14: Depredación Los depredadores utilizan una variedad de técnicas, conocidas como «tácticas de obtención de alimentos» para obtener su alimento. Estas tácticas están bajo intensa presión selectiva. Aquellos que son más eficientes para obtener alimento, probablemente, dejarán mayor cantidad de descendencia. Y, desde el punto de vista de la presa, aquellos que tienen más éxito en evitar la depredación, probablemente, dejarán CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] una mayor descendencia. El tamaño de la población de depredadores está limitado, frecuentemente, por la disponibilidad de presas. Sin embargo, la depredación no es necesariamente el factor principal en la regulación del tamaño de la población de organismos presa, que puede hallarse más influenciada por su propio suministro de alimentos. Así, por ejemplo, la población de linces alcanza un pico cada 9 o 10 años y estos picos son seguidos en cada caso por varios años de marcada disminución. Los conejos de la nieve siguen un ciclo similar, con un pico de abundancia que generalmente precede al del lince en uno o más años. (Fig. 15). Fig. 15: Ciclos de población de la liebre americana (Lepus americanus) y el lince. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings 3. Simbiosis Es una asociación íntima y a largo plazo entre organismos de dos especies diferentes. Las relaciones simbióticas prolongadas pueden dar como resultado cambios evolutivos profundos en los organismos que intervienen, como en el caso de los líquenes, una de las simbiosis más antiguas y ecológicamente más exitosas. Las relaciones simbióticas se consideran generalmente de tres tipos: a) Parasitismo Cuando una especie se beneficia de otra, la que se perjudica. CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Puede ser considerado como una forma especial de depredación, en la que el depredador es considerablemente más pequeño que la presa. Las plantas y los animales de una comunidad natural mantienen centenares de especies parásitas. Las enfermedades causadas por parásitos no son tan eficientes, debido a que si un parásito matase a los hospederos a los cuales se encuentra adaptado, entonces también perecería. Ejemplo de parásitos: las tenias (Taenia solium en el humano), las lampreas, ciertos insectos, bacterias patógenas y hongos. (Fig. 16) Fig. 16: Parásitos b) Mutualismo Cuando la relación es beneficiosa para ambos. (Fig. 17) Ejemplos de asociaciones mutualistas actuales son abundantes. Por ejemplo, las que ocurren bajo tierra, entre las raíces y bacterias fijadoras de nitrógeno. Otro ejemplo es el de los microorganismos que degradan celulosa y las termitas que pueden roer y tragarse la celulosa de la madera, pero no digerida. Los protozoarios que viven en el tubo digestivo digieren la celulosa. Entonces, la termita dispone de un medio de digestión y el protozoario recibe un lugar para vivir. Fig. 17: Mutualismo c) Comensalismo Es una relación beneficiosa para una especie, pero ni beneficia ni daña a la otra. CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] Un ejemplo es el de la rémora y el tiburón. La rémora es un pez pequeño que se adhiere a la parte inferior del tiburón para alimentarse de restos de comida de este. (Fig.18) Fig. 18: Comensalismo 4. Amensalismo Se produce cuando un organismo se ve perjudicado en la relación y el otro no se beneficia ni se perjudica. Podemos citar a modo de ejemplo el caso de los árboles de la selva amazónica. Aquellos de mayor tamaño impiden la llegada de luz solar a las hierbas que se encuentran a nivel del suelo. No es un caso de competencia ya que las plantas de menor tamaño no afectan en nada la supervivencia de los árboles de mayor tamaño. Otro ejemplo son los hongos que producen agentes que resultan tóxicos para algunas bacterias, pero para el hongo este no es un medio de defensa sino un simple metabolito secundario. (Fig.19) TÍTULO Subtítulo Texto CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)  FACTOR EXCELENCIA | BIOLOGIA] CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS (CEPU)