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Biologí� Ciencia� Pla� Electiv�

Biologí� Ciencia� Pla� Electiv�

Han colaborado en esta edición

Directora Académica Paulina Núñez Lagos

Directora PSU y Programas Consolidados Consolidados Patricia Valdés Arroyo

Equipo Editorial Karla Hernández Quijada Marcela Cárdenas Barrera Equipo Gráfico y Diagramación Pamela Martínez Fuentes René Madariaga Suárez Vania Muñoz Díaz Elizabeth Rojas Alarcón

Autor

:

Preuniversitarios Preuniversitarios Cpech.

N° de Inscripción

:

266.902 del 14 de Junio de 2016.

Derechos exclusivos

:

Cpech S.A.

PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Año Impresión 2016 Impreso en A Impresor I mpresores es S.A.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí�

Índic� PRESENTACIÓN Capítulo 1: Habilidades de Pensamiento Científico 1. Observación, interpretación y pregunta de investigación 2. Predicción, inferencia, hipótesis, hipótesis, postulado, postulado, teoría, teoría, ley y principio 3. Procedimiento experimental, variable, variable, grupo control, grupo experimental y modelo 4. Resultados, interpretación de datos y conclusiones 5. Preguntas de selección múltiple

Capítulo 2: Organización, estructura y actividad celular 1. Organización del material genético 1.1 Características de los ácidos nucleicos 1.2 ADN (Ácido Desoxirribonucleico) 1.3 ARN (Ácido Ribonucleico) 1.4 Traducción. Traducción. Biosíntesis de proteínas 1.4.1 Etapa de iniciación 1.4.2 Etapa de elongación elongación 1.4.3 Etapa de terminación terminación 1.5 Regulación genética 1.6 Mutaciones en el material genético 2. Biotecnología 2.1 El Proyecto Proyecto Genoma Humano 2.2 Ingeniería genética 2.3 Aplicaciones de la ingeniería genética genética 2.4 Usos de la terapia génica génica 2.5 Biotecnología

Capítulo 3: Sistema nervioso 1. Sistema nervioso 2. Organización anatómica del sistema nervioso

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Índic� 3. Histología del sistema nervioso 3.1 Células gliales o neuroglías 3.2 Neuronas .......................................................................................................................................................................... 3.2.1 Características generales ......................................................................................................................... 61 3.2.1 Estructura de una neurona 4. Fisiología neuronal 4.1 Potencial de membrana en reposo 4.2 Potencial de acción o impulso nervioso 4.3 Propagación del potencial de acción 4.4 Características del potencial de acción 5. Sinapsis 5.1 Sinapsis eléctricas 5.2 Sinapsis químicas 5.3 Anatomía funcional de la sinapsis química 5.3.1 Potenciales postsinápticos excitatorios e inhibitorios 5.3.2 Retiro del neurotransmisor 5.4 Circuitos neuronales 5.5 Neurotransmisores 6. Organización del tejido nervioso en el SNC 7. Morfología del sistema nervioso central 7.1 Médula espinal 7.1.1 Características anatómicas 7.1.2 Funciones 7.2 Encéfalo 7.2.1 Tronco encefálico 7.2.2 Cerebelo 7.2.3 Diencéfalo 7.2.4 Cerebro 8. Sistema nervioso periférico (SNP) 9. Recepción sensorial 9.1 Características de los receptores 9.2 Clasificación de los receptores 10. Visión 10.1 Globo ocular u ojo 10.2 Anatomía del globo ocular 10.3 Formación de la imagen 10.3.1 Refracción de los rayos luminosos 10.4 Fisiología de la visión 10.4.1 Bastones 10.4.2 Conos 10.4.3 Vía visual 10.4.4 Campo visual H C E P C

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11. Efectores 11.1 Características de los músculos 11.2 Tipos de músculos

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 11.3 El músculo esquelético 11.3.1 Unidad motora y unión neuromuscular 11.3.2 Fisiología de la contracción muscular 11.3.3 Metabolismo muscular 12. Enfermedades del sistema nervioso 12.1 Epilepsia 12.2 Trastornos afectivos 12.3 Trastornos bipolares 12.4 Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) 12.5 Enfermedad de Alzheimer 12.6 Enfermedad de Parkinson 13. Alteraciones oculares 13.1 Catarata 13.2 Hipermetropía 13.3 Miopía 13.4 Astigmatismo 14. Estructura del tórax y mecanismo de ventilación pulmonar 14.1 Anatomía del sistema respiratorio humano 14.2 Fisiología de la respiración 15. Control de la frecuencia respiratoria 15.1 Receptores

Capítulo 4: Sistema nefrourinario

1. Anatomía del sistema nefrourinario 1.1 Riñón 1.2 El nefrón 2. Fisiología renal 2.1 Formación de la orina 2.2 Mecanismo de contracorriente 2.3 Composición de la orina 2.4 Regulación hormonal 3. Vías urinarias 4. Reflejo de micción 5. Alteraciones en la composición normal de la orina 6. Enfermedades del sistema nefrourinario H C E P C

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Índic� Capítulo 5: Sistema inmune 1. Sistema inmunitario

1.1 Órganos linfoides 1.2 Tejido linfoide 1.3 Células inmunitarias 1.4 Moléculas inmunitarias 2. El reconocimiento de lo propio 3. Mecanismos de defensa inespecíficos: inmunidad innata 4. Mecanismos de defensa específicos: inmunidad adaptativa

4.1 Inmunidad humoral 4.2 Inmunidad celular 5. Memoria inmunitaria

Capítulo 6: Biología humana y salud 1. Conceptos básicos

1.1 Salud 1.2 Enfermedad 1.3 Clasificación de las enfermedades 2. Drogas y estrés

2.1 Drogas 2.2 Estrés 3. Alteraciones del sistema inmunitario

3.1 Rechazo a trasplantes 3.2 Grupos sanguíneos y transfusiones 3.3 Autoinmunidad 3.3.1 Enfermedades por autoinmunidad 3.4 Alergias 4. Vacunas 5. Problemas infecciosos contemporáneos

5.1 Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) 5.2 Virus Hanta

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Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Capítulo 7: Herencia, variación y evolución 1. Historia del pensamiento evolucionista 1.1 Teoría de los caracteres adquiridos 1.2 Teoría de la evolución por selección natural 1.3 Teoría sintética de la evolución 1.4 Nuevas teorías evolutivas 2. Evidencias evolutivas 2.1 Evidencias directas: microevolución 2.2 Evidencias indirectas: macroevolución 2.3 Bases genéticas de la evolución 3. Selección natural 3.1 Clasificación de la selección natural 3.1.1 Efecto sobre la distribución de las características en una población 3.1.2 Otros factores de selección 4. Origen de las especies 4.1 Mecanismos de aislamiento reproductivo 4.2 Modelos de especiación 5. Patrones de evolución 6. Diversidad de organismos y ambiente 6.1 Variabilidad ambiental 6.2 Adaptación 6.2.1 Tipos de adaptaciones 6.3 Biodiversidad 7. Historia de la vida en la Tierra 7.1 Formación del Sistema Solar 7.2 Formación de la Tierra 7.3 El comienzo de la vida 8. Adaptación en tiempo evolutivo 8.1 Historia evolutiva y adaptación en plantas 8.2 Historia evolutiva y adaptación en animales

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Índic� Capítulo 8: Organismo y ambiente 1. Crecimiento de la población humana 2. Efectos de la actividad humana sobre los ecosistemas 2.1 Efecto sobre el agua 2.2 Efecto sobre el aire 2.3 Efecto sobre la vida silvestre 3. Conservación de los recursos 4. Biodiversidad 4.1 Biodiversidad en Chile 4.2 Peligros y amenazas de la biodiversidad 4.3 Proteccion de los ecosistemas naturales 4.4 Estrategias de protección de la biodiversidad 5. Principios básicos de conservación y manejo sustentable de recursos renovables 5.1 Conservación 5.2 Sistema de evaluación de Impacto Ambiental (SEIA). Partes constituyentes del SEIA

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Como tú sabes, la PSU tiene como propósito evaluar algunas de las competencias que necesitas para ingresar a la carrera elegida. Es necesario que comprendas que este instrumento no mide un contenido específico en sí mismo, sino lo que tú debes saber hacer con ese contenido, por ejemplo, aplicarlo en la resolución de un problema. Por esta razón, te invitamos a utilizar el libro que tienes en tus manos en conjunto con los recursos de aprendizaje creados especialmente para ti: ejercicios organizados según los temas, guías y videos con resolución de preguntas de ensayos; además del GPS académico, donde se detalla el número de las páginas en las que encontrarás los contenidos que, según tus resultados, debes reforzar. Para acceder a ellos, ingresa a la intranet de Cpech. No olvides descargar en tu celular la aplicación con estos libros en su versión digital.

Paulina Núñez Lagos Directora Académica

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Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Habilidades evaluadas

Reconocimiento: reconocer información explícita que no implica un mayor manejo de contenidos, sólo recordar información específica, definiciones, hechos.

Comprensión: además del conocimiento explícito de la información, ésta debe ser relacionada para manejar el contenido evaluado, interpretando información en un contexto distinto al que se aprendió.

Aplicación: es el desarrollo práctico tangible de la información que permite aplicar los contenidos asimilados a la resolución de problemas. En ciencias permite llevar el conocimiento científico a la vida diaria.

ASE (Análisis, Síntesis y Evaluación): es la más compleja de las habilidades evaluadas. Implica reconocer, comprender, interpretar e inferir información a partir de datos que no necesariamente son de conocimiento directo, y que exige reconocer las par tes que forman un todo y las relaciones de causalidad entre ellas.

Íconos didácticos

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Conceptos fundamentales

Indica aquellos conceptos importantes referidos al capítulo que no debes olvidar ni confundir.

Actividades

Indica recursos didácticos que con una estructura distinta a un ejercicio PSU te ayudarán a aplicar los conceptos.

Sabías que...

Indica relaciones importantes respecto a la aplicación real de contenidos, con la finalidad de que los asocies de manera didáctica.

Ojo con

Indica datos relevantes que debes manejar respecto a un contenido.

Esquema de síntesis

Indica el desarrollo de un esquema de contenido a través del cual se sintetizan los contenidos más relevantes de uno o más temas de un capítulo.

Capítul� 1 Habilidade� d� Pensamient� Científic�

1 � l u t í p a C

Habilidade� d� Pensamient� Científic�

Introducción En los últimos años, la enseñanza de las ci encias ha experimentado un fuerte cambio, teniendo como propósito que los estudiantes adquieran una comprensión del mundo natural y tecnológico y que se apropien de procesos, habilidades y actitudes características del quehacer científico. A partir de lo anterior surgen las Habilidades de Pensamiento Científico, las cuales corresponden a habilidades de razonamiento y saber-hacer involucradas en la búsqueda de respuestas acerca del mundo natural, basadas en evidencias que promueven una reflexión científica y permiten que el estudiante sea capaz de conocer sus propios procesos de aprendizaje y tenga el control sobre los mismos. Estas habilidades no obedecen a una metodología o a una secuencia de pasos claramente definida a desarrollar, como ocurre con el método científico. En muchos casos, una habilidad puede ser trabajada en forma independiente de las restantes y, en otras situaciones, puede ser abordada en forma integrada, según las necesidades de un determinado contenido. Las habilidades de razonamiento y saber-hacer no se desarrollan en el vacío, sino que están íntimamente conectadas a los contenidos propios de los ejes temáticos de los tres subsectores de Ciencias: Biología, Física y Química, siendo a su vez transversales a cada área (DEMRE, 2015). De acuerdo al DEMRE (2015), algunas Habilidades de Pensamiento Científico incluyen, por ejemplo: • • • • • • •

La formulación de preguntas. La observación. La descripción y registro de datos. El ordenamiento e interpretación de información. La elaboración y análisis de hipótesis, procedimientos y explicaciones. La argumentación y debate en torno a controversias y problemas de interés público. La discusión y evaluación de implicancias éticas o ambientales relacionadas con la ciencia y la tecnología.

I. Observación, interpretación y pregunta de investigación Observar

Es un proceso fundamental en el aprendizaje de las ciencias y es el primer paso en una investigación. Observar no es sinónimo de mirar, ya que consiste en mantener la atención puesta en un determinado objeto o fenómeno, con el objetivo de adquirir algún conocimiento sobre su comportamiento o sus características. Es importante diferenciar entre observar e interpretar. Las observaciones las hacemos a través de nuestros sentidos, de lo que directamente vemos, olemos o tocamos y las interpretaciones son elaboraciones mentales a partir de esas observaciones. Ejemplo: ciertas superficies metálicas en contacto con el aire se cubren de una capa de color rojizo y se debilitan, especialmente en ambientes húmedos. A partir de estas observaciones podemos preguntarnos a qué se debe este fenómeno y formular una posible explicación o hipótesis.

Pregunta de investigación H C E P C 12

Una vez que se ejecuta la observación y se encuentra un problema de investigación, es necesario definirlo a través de una pregunta, que debe ser congruente con la realidad o el fenómeno observado y debe adherirse a la lógica.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Para plantear la pregunta de investigación se debe considerar: - Que comience con un “qué”, “cómo”, “dónde”, “cuándo”, “cuál” “para qué es”. Evitar utilizar el “por qué” ya que su respuesta puede ser muy amplia y es más difícil de contestar. - Que la respuesta no sea un simple “sí” o “no”. - Evitar preguntar por estados mentales de otras personas, por ejemplo: ¿Por qué Tolomeo pensó que la tierra está en el centro del universo?” - Evitar plantear preguntas sobre estados futuros de cosas, ya que el futuro es, por definición, inaccesible a la investigación empírica. Ejemplo: ¿Puede la biotecnología eliminar los problemas de salud pública en el próximo siglo? - Evitar formular preguntas totalizantes, ya que son muy difíciles de resolver de manera plausible en una investigación. Por ejemplo: ¿Cuál es el sentido de la existencia? ¿Cómo funciona el universo y sus alrededores? Una vez formulada la pregunta de investigación, se plantea una hipótesis para dar una o más respuestas lógicas al problema, la que será sometida a experimentación para determinar si se acepta o se rechaza.

2. Predicción, inferencia, hipótesis, postulado, teoría, ley y principio Predecir

Es anunciar con anticipación la realización de un fenómeno o declarar precisamente lo que ocurrirá en determinadas condiciones específicas. Para que este proceso se pueda dar es necesario hacer previamente observaciones y mediciones. Ejemplo: los meteorólogos observan y miden los datos atmosféricos y pueden predecir cómo estará el tiempo de una región.

Inferir

Es interpretar o explicar un fenómeno con base en una o varias observaciones. Una inferencia debe ser apoyada o comprobada con nuevas observaciones, de lo contrario se convierte en una suposición o adivinanza. Ejemplo: al encender un ventilador se corta la luz de toda la casa. Se puede inferir que el ventilador hizo un cortocircuito, pero para que esta inferencia pueda validarse es necesario realizar otras observaciones.

Hipótesis

Es una respuesta provisional a un problema de investigación que ha sido formulada a través de la recolección de información y datos. Permite orientar el proceso de investigación y ll egar a conclusiones concretas. Para formular una hipótesis se deben tener en cuenta l os siguientes puntos: -

Debe ser afirmativa, clara, concreta y sin ambigüedad. Debe presentar referencias empíricas y ser objetiva para que cualquier investigador la pueda replicar, si no se trasforma en un juicio de valor. Debe incluir los elementos de la investigación, sus variables y enfoques. Debe ser un enunciado que se pueda someter a prueba.

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Ejemplo: se quiere estudiar el fenómeno de la contaminación en Santiago en los últimos 20 años. Para ello se formula la siguiente pregunta de investigación: ¿Qué efectos tiene la contaminación en la Región Metropolitana? Una buena hipótesis podría ser: “La contaminación ambiental en la región metropolitana produce un aumento de la incidencia de enfermedades respiratorias en la población, con respecto a zonas menos contaminadas”.

Postulado

Es una expresión que presenta una verdad sin demostraciones ni evidencias, pero que es admitida aún pese a la falta de pruebas y que, a su vez, sirve de fundamento para razonamientos posteriores. La aceptación del postulado está dada por la inexistencia de otras expresiones a las que pueda referirse y por la necesidad de emplearlo en un razonamiento posterior. Por Por ejemplo, los postulados de la teoría de la relatividad de Einstein.

Teoría Teoría

Es una explicación basada en la observación, observación, la experimentación y el razonamiento, que ha sido probada, confirmada y apoyada por diversas pruebas científicas, aunque puede ser refutada en algún momento por la comunidad científica si aparecen pruebas que la contradigan. Un ejemplo es la teoría de la evolución por selección natural de Darwin y Wallace, Wallace, que explica el origen y evolución de las especies en el planeta Tierra.

Ley

Es un conjunto de reglas y normas constantes e invariables, que describen el comportamiento de un sistema concreto. Ejemplo: leyes de Newton, leyes de Mendel, ley de conservación de la materia.

Principio

Es un concepto o una idea fundamental que sir ve de base para un razonamiento. También También se le considera como una ley de tipo general, g eneral, que permite regular un conjunto de fenómenos físicos, sociales o científicos.

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Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 3. Procedimiento Procedimiento experimental, experimental, variable, grupo grupo control, control, grupo experimental y modelo Procedimiento Procedimiento experimental

Una vez formulada la hipótesis, el científico debe comprobar a través de un procedimiento experimental si esta es verdadera o falsa. Experimentar consiste en reproducir y observar varias veces un hecho o fenómeno que se quiere estudiar, estudiar, modificando las circunstancias o variables que se consideren convenientes.

Variable Variable

Una variable es todo aquello que puede asumir diferentes valores en una investigación, desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo. En cada procedimiento experimental se presentan variables que se quieren medir, controlar y estudiar. estudiar. Estas variables deben estar identificadas antes de iniciar la investigación y ser susceptibles de medición. Por ejemplo: intensidad lumínica, temperatura, masa de un reactante, etc. Según sus características, las variables se pueden clasificar en: -

Variable independiente: independiente: es aquella cuyo valor no depende de otra variable. variable. Se denomina variable manipulada ya que se puede modificar y afectar a las otras variables.

-

Variable dependiente: dependiente: es aquella cuyo valor cambia cambia al manipular la variable independiente. independiente. Se denomina también variable respuesta, ya que está influenciada por los valores de la(s) variable(s) independiente(s) del sistema.

Ejemplo: Si nos preguntamos cómo influye la temperatura en el crecimiento de los tomates, la temperatura es la variable independiente independiente o controlada por el investigador, investigador, y el crecimiento crecimiento de los tomates, la variable dependiente o de interés.

Grupo control y grupo experimental

En un experimento controlado debemos tener dos grupos de prueba: un grupo control y un grupo experimental. El grupo control y el grupo experimental son sometidos a las mismas condiciones, modificando solamente la(s) variable(s) en estudio. De esta manera, se observan obser van los resultados y se registran las diferencias di ferencias entre ambos grupos para poder elaborar una conclusión. Ejemplo: Supongamos que deseamos probar un nuevo fármaco “activador cerebral” para decidir si es efectivo o no. Podríamos entonces suministrarlo a un estudiante y observar si logra mejorar su rendimiento académico. Sin embargo, esto podría resultar engañoso. Debido a que el rendimiento académico de un alumno está influido por muchos y variados factores, el hecho de que el estudiante mejorara sus notas no significaría necesariamente que el fármaco es efectivo, como tampoco implicaría que no lo es si su rendimiento se mantuviera o, incluso, empeorara. Entonces, ¿cómo se puede saber si el activador cerebral funciona? Se toma, por ejemplo, un grupo de estudiantes estudiantes y se divide en dos. A uno de los grupos (el grupo de control), no se le aplica el activador cerebral, mientras que al otro grupo (el grupo experimental) sí se le administra el fármaco. Luego, se comparan ambos resultados. Si en el grupo experimental se observa un mejor rendimiento académico respecto del grupo de control, entonces podemos concluir que el activador cerebral es efectivo. Si, en cambio, no se aprecia una diferencia significativa entre el rendimiento del grupo control y del grupo experimental, puede concluirse que el fármaco no tiene efecto sobre el desempeño académico.

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Para poder llegar a esta conclusión es importante, además, controlar otras variables que no son de interés, pero que pueden afectar al rendimiento académico, como la alimentación y las horas de sueño, por ejemplo.

Modelo científico

Es una representación mental o material que explica el comportamiento de hechos o fenómenos. Se elabora en base a los resultados de las observaciones y de d e la experimentación, a fin de analizar, analizar, describir, explicar y simular esos fenómenos o procesos. Por ejemplo, los modelos atómicos.

4. Resultados, interpretación de datos y conclusiones Resultados e interpretación de datos

La experimentación entrega los resultados que se pueden organizar en tablas y gráficos para ayudar a visualizar e interpretar las variaciones entre ellos. La interpretación de datos es el proceso donde los datos adquieren un sentido, entregando respuestas a las interrogantes de la investigación y comprobando si la hipótesis es correcta, para posteriormente elaborar las conclusiones.

Conclusiones

Son las interpretaciones de los hechos observados, de acuerdo con los datos experimentales, o las recomendaciones del investigador sobre la base de los resultados. Las conclusiones establecen si los resultados apoyan o refutan la hipótesis original. Por lo tanto, una conclusión es fundamental para determinar el éxito o el fracaso de un diseño experimental. Si el experimento está bien diseñado, los resultados serán válidos y permitirán aceptar o rechazar la hipótesis. El éxito o el fracaso de la investigación no se miden por el hecho de que la hipótesis sea aceptada o refutada, ya que ambos resultados promoverán el conocimiento científico si el diseño experimental está bien planteado. Una investigación fracasa si los datos experimentales no permiten determinar si la hipótesis es válida o no.

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Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5. Preguntas de selección múltiple Las siguientes preguntas son ejemplos de ítems tipo PSU en las que se trabajan distintas Habilidades de Pensamiento Científico. 1.

En el contexto de una investigación científica, uno de los pasos fundamentales corresponde al planteamiento de la hipótesis de trabajo. Respecto de una hi pótesis, es correcto afirmar que A) B) C) D) E)

es lo mismo que un postulado. se trata de la explicación correcta a un fenómeno investigado. su formulación no considera la recolección de información y datos. es una afirmación que no necesita ser verificada mediante el método científico es una proposición no confirmada que sirve para responder a un problema científico.

Alternativa: E Defensa: La hipótesis es una

explicación tentativa que sirve para dar respuesta a una pregunta de investigación planteada, y que es formulada a través de la recolección de información y datos. Por ser tentativa, es decir, una posible respuesta, la hipótesis debe ser verificada mediante investigación y/o experimentación (utilizando el método científico), después de lo cual puede ser rechazada o aceptada.

2.

“La formación del petróleo se debería a la descomposición de carburos metálicos por la acción del agua. Las aguas de infiltración, i nfiltración, en contacto con los carburos metálicos contenidos en las profundidades del suelo, darían hidrocarburos acetilénicos de cadena corta, que se transformarían en hidrocarburos saturados cada vez más complejos”. El texto anterior corresponde a un(a) A) B) C) D) E)

conclusión. hipótesis. teoría. ley. modelo.

Alternativa: B Defensa: En

este ejercicio, el enunciado corresponde a una hipótesis propuesta por Moissan para explicar el origen del petróleo, a partir de la observación de la presencia presencia de este en volcanes y de su conocimiento sobre carburos y sus reacciones con agua. Una hipótesis es una explicación para cierto fenómeno, formulada a partir de la observación y del conocimiento disponible. Las hipótesis deben someterse a prueba para establecer conclusiones y eventualmente formular un cuerpo teórico basado en cuidadosa experimentación y observación, que permita explicar una parte de la realidad, al menos de forma provisoria.

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3.

Hace aproximadamente aproximadamente 200 años atrás, Lazzaro Spallanzani, naturista y sacerdote católico, observó la posibilidad de fecundación interna en un gusano de seda; entonces, probó la fecundación interna de un mamífero, el perro doméstico. Mantuvo una hembra con agua y alimento en un cuarto cerrado; pasados trece días, la hembra dio señales de fertilidad (hinchazón de la zona genital y sangrado). Diez días después, la hembra seguía en su periodo fértil, entonces Spallanzani inyectó, con una jeringa fina, semen de un macho en el útero de la hembra. Luego de dos días, l a hembra dejó de presentar señales de fertilidad y, y, pasados sesenta días, nacieron tres cachorros normales muy parecidos a la hembra y macho en estudio. ¿Qué etapa del método científico se describe en el párrafo anterior? A) B) C) D) E)

Experimentación. Observación. Conclusión. Hipótesis. Teoría.

Alternativa: A Defensa: Dentro

de las alternativas del ejercicio están: experimentación, observación, conclusión, hipótesis y teoría. Estos conceptos hacen referencia a etapas del método científico. Lo que se describe en el texto es el proceso de experimentación que realizó Lazzaro Spallanzani para probar la fecundación interna en un mamífero (alternativa A correcta). En el comienzo del enunciado se hace referencia a que el investigador observa la posibilidad de fecundación interna en un gusano de seda, pero no se ahonda más en el tema y la mayor parte del texto corresponde a una descripción de los pasos experimentales seguidos por el investigador, por lo que podemos descartar la alternativa B.

En el texto no se explicita la hipótesis que Spallanzani somete a prueba, por lo que se descarta la alternativa D. Tampoco Tampoco se describen conclusiones con respecto al experimento, por lo tanto, se descarta C. Y por último, el enunciado no corresponde a una teoría, ya que una teoría es un conjunto de hipótesis comprobadas.

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Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 4.

Para dibujar la imagen que se genera en un espejo se utilizan los “rayos notables” o “rayos principales”, que corresponden a flechas que representan rayos de luz que, al seguir una trayectoria definida hacia el espejo, rebotan en su superficie en una dirección conocida. Buscando la intersección de estos rayos, es posible dibujar la imagen que se genera en el espejo y establecer sus características.

Objeto C

F

Imagen

El estudio de las imágenes producidas por refracción o reflexión de la luz se llama óptica geométrica. Basándose en el texto leído, los rayos notables corresponden a A) B) C) D) E)

una descripción. un postulado. un modelo. una teoría. una ley.

Alternativa: C Defensa: En ciencias se denomina modelo a la representación matemática o gráfica de la

realidad utilizada para describir el funcionamiento de una parte determinada del universo, o para plantear un problema, normalmente de manera simplificada y desde un punto de vista matemático o físico.

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5.

La ley de la conservación de la masa establece que la cantidad de materia en una reacción química debe ser igual en los reactantes y en los productos. Para verificar esta ley, un estudiante realiza un experimento que involucra masar una cierta cantidad de aluminio, y luego agregarlo a un tubo de ensayo abierto que contiene una masa conocida de un ácido. Al cabo de un tiempo, se da cuenta de que ocurre una reacción química, ya que el aluminio en el tubo comienza a burbujear y a emitir gas. Al masar finalmente el tubo de ensayo se percata que obtuvo menos cantidades de producto de las que cabría esperar teóricamente. Con respecto al texto, podemos inferir que la ley de conservación de la masa se cumple A) B) C) C) D)

solo de forma teórica. solo para algunas reacciones. solo en reacciones que no involucren productos gaseosos. bajo condiciones de temperatura y presión bien definidas. siempre y cuando se realicen correctamente los pasos experimentales.

Alternativa: E Defensa: Como

se señala en el enunciado, la ley de conservación de la masa establece que la masa de los reactantes debe ser igual a la masa de los productos en una reacción química. Como se trata de una ley, podemos entender que ha sido ampliamente verificada de manera experimental por la comunidad científica para distintas reacciones. Sin embargo, el estudiante no logra verificarla en el experimento. De acuerdo a la ley, se esperaría que la suma de la masa del aluminio y del ácido que reaccionan sea la misma que la masa de los productos que se obtienen, incluyendo los gases generados. Como la reacción se lleva a cabo en un tubo abierto, el gas se libera al ambiente, y al masar los productos finales, esa masa de gas no está siendo considerada. Es por eso que el estudiante no puede comprobar la ley, es decir, porque sus pasos experimentales no son correctos. Si realizara el procedimiento en un sistema cerrado de modo de poder masar el gas también, podría verificarla.

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El crossing over es el intercambio de segmentos de ADN entre cromosomas homólogos. Al estudiar este fenómeno, Alfred Sturtevant propuso que la probabilidad de crossing over de dos genes puede ser utilizada para estimar la distancia entre ellos en un cromosoma. Así, Sturtevant usó el porcentaje de combinaciones nuevas observadas como una medida directa de la distancia entre genes y encontró que las distancias genéticas medidas en unidades de porcentaje de crossing over eran aditivas, es decir, distancia AB + distancia BC = distancia AC. En la siguiente tabla se muestran los porcentajes de recombinación entre los genes X, Y y Z, que se encuentran en el mismo cromosoma. Par de genes

Porcentaje de crossing over

XY

1,3

XZ

32,6

YZ

33,9

Siguiendo el razonamiento de Sturtevant, ¿cuál de los siguientes diagramas representa mejor una predicción de la distancia entre los genes X, Y y Z en el cromosoma?

A)

0 1,3 X Y

33,9 Z

0 1,3 X Y

32,6 Z

0 1,3 Y X

33,9 Z

D) 0 1,3 Y X

B)

32,6 Z

E) 0 Y

32,3 33,9 X Z

C)

Alternativa: C Defensa: Como

se señala en el enunciado, según Sturtevant, se puede usar el porcentaje de recombinación o crossing over entre genes de un mismo cromosoma como una medida directa y aditiva de la distancia entre estos genes. En la tabla se muestra que los genes X e Y tienen un porcentaje de recombinación de 1,3%, los genes X y Z tienen un 32,6%, y entre Y y Z hay un 33,9% de probabilidad de recombinación. Los genes más alejados serán Y y Z, con 33,9 unidades. Por lo tanto, podemos ubicarlos como se muestra en el diagrama a continuación. 0 Y

33,9 Z

Por la tabla sabemos, además, que X está separado de Y por 1,3 unidades y de Z por 32,6 unidades, por lo tanto, debe ubicarse entre los otros dos genes: 0 1,3 Y X

33,9 Z

En definitiva, podemos ver que la aditividad señalada por Sturtevant se cumple, ya que si sumamos la distancia entre Y y X (1,3) con la distancia entre X y Z (32,6), obtenemos la distancia entre Y y Z (33,9). H C E P C 21



7.

El “principio de conservación de la energía mecánica” establece que en un sistema mecánico (como un péndulo) en el que no actúe el roce, no existen pérdidas de energía y el valor de esta permanece constante en el tiempo. Después de leer este principio, un estudiante se propuso construir un péndulo ideal, en el cual dicho principio se cumpliera. Una vez construido el péndulo y habiendo extremado todos los cuidados en su fabricación para eliminar las fuerzas de roce, el estudiante lo hizo oscilar y realizó algunas mediciones. Tras analizar los resultados constató que, a pesar de sus esfuerzos, el péndulo presentaba pérdidas de energía, por lo que llegó a la conclusión de que no era posible llevar a la práctica el principio de conservación de la energía mecánica. De las siguientes alternativas, ¿cuál es una conclusión correcta que se puede desprender del párrafo leído? A) B) C) D) E)

Las ciencias son solo teóricas y es un error intentar aplicarlas a la vida cotidiana. Los principios y leyes de las ciencias siempre han presentado el problema de no coincidir con las situaciones reales, pero los científicos trabajan arduamente para cambiar esta situación. Las ciencias no son exactas, por lo que sus leyes funcionan solo a veces en la vida real. En ciencias muchas veces se estudia el comportamiento de los sistemas en condiciones ideales, lo que permite predecir su comportamiento en condiciones reales con suficiente exactitud. En ciencias siempre se estudia el comportamiento de los sistemas en condiciones ideales, porque la exactitud de los instrumentos de medida no permite estudiarlos en condiciones reales.

Alternativa: D Defensa: El

comportamiento de cuerpos o sistemas Físicos en situaciones reales se puede predecir, dentro de ciertos márgenes de exactitud, utilizando modelos ideales y leyes Físicas. Por ejemplo, utilizando las ecuaciones de cinemática se puede estimar, con un margen de error aceptable, el tiempo que demora en llegar al suelo una moneda que se deja caer desde una altura de 10 metros. Así, mediante el estudio de situaciones “idealizadas” es posible predecir el comportamiento real de un cuerpo o sistema, dentro de límites y condiciones bien establecidas.

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La concentración es una medida de la cantidad de un soluto que se disuelve en un disolvente. A un alumno se le pide realizar el siguiente experimento: adicionar gradualmente una determinada cantidad de sal a una disolución de sal en agua, cerciorándose de que se disuelva. Posteriormente, agregar gradualmente una determinada cantidad de agua. Finalmente, debe graficar cómo ha variado la concentración de la disolución en el tiempo. ¿Cuál opción representa mejor la gráfica de la experiencia?

B)

A) n ó i c a r t n e c n o C

n ó i c a r t n e c n o C

Tiempo

Tiempo

D)

C)



Tiempo

Tiempo

E)


Tiempo

Alternativa:

E Defensa: Al tener una disolución e ir agregando paulatinamente el mismo soluto, cerciorándose de que se ha disuelto, la concentración de la disolución aumentará progresivamente. Si luego se agrega agua, la concentración disminuirá.

H C E P C

23



9.

El uso de anticonceptivos orales combinados (estrógenos + progesterona) se ha relacionado con un menor riesgo de cáncer de ovario. En relación a esto, un grupo de investigadores entrevistaron a 767 mujeres diagnosticadas con cáncer de ovario, y a 1367 mujeres “control”. En cada caso se les preguntó si habían usado anticonceptivos orales y la marca usada. A partir de la información sobre la marca de los anticonceptivos, se obtuvieron los datos sobre los niveles de estrógenos y progesterona que contenían, clasificando las píldoras como de “alta dosis” o “baja dosis”. Además, las mujeres fueron consultadas por su edad, número de embarazos, grupo étnico y antecedentes familiares de cáncer de ovario, para poder controlar estos factores que también se relacionan con la probabilidad de desarrollar esta patología. Con respecto a esta investigación, ¿cuál de las siguientes preguntas se busca responder? A) B) C) D) E)

¿Cómo aumenta el riesgo de cáncer de ovario con la edad? ¿Hay diferencias entre grupos étnicos en el riesgo de cáncer de ovario? ¿Cuál es la dosis de estrógenos y progesterona más efectiva para reducir el riesgo de cáncer de ovario? ¿Las píldoras compuestas solo por estrógenos son más o menos efectivas para reducir el riesgo de cáncer de ovario? ¿Qué efecto tienen los embarazos sobre el riesgo de desarrollar cáncer de ovario?

Alternativa:

C Defensa: Como se señala en el enunciado, los investigadores entrevistaron a dos grupos de mujeres, con y sin cáncer de ovario, sobre su uso de anticonceptivos, enfocándose específicamente en la dosis (alta o baja) de hormonas presente en ellos. Por lo tanto, podemos deducir que el objetivo de los investigadores es evaluar si la dosis de hormonas en los anticonceptivos influye sobre el efecto de reducción del riesgo de cáncer de ovario que se ha reportado previamente. Para ello los investigadores deberían comparar la proporción de mujeres que usan anticonceptivos de alta y baja dosis en el grupo con cáncer de ovario y en el grupo sin cáncer de ovario. En el enunciado también se señala que las mujeres fueron consultadas sobre su edad, número de embarazos, raza y antecedentes familiares de la enfermedad. Sin embargo, estos factores no son el foco de la investigación, sino que, como se señala, solo se busca controlarlos, puesto que ya ha sido reportado previamente que influyen sobre la probabilidad de desarrollar cáncer de ovario (alternativas A, B y E incorrectas). La alternativa D es incorrecta puesto que no se menciona que los investigadores hayan evaluado el uso de anticonceptivos compuestos solo por estrógenos. Por el contrario, “alta dosis” y “baja dosis” corresponden a niveles de estrógenos y progesterona, dado que se trata de anticonceptivos combinados. Además, las píl doras anticonceptivas suelen estar compuestas por una combinación de estrógenos y progestágeno o solo por progestágeno, pero no solo por estrógenos.

H C E P C 24

Capítul� 2 Organiacó�, estructur� � actvda� celular

Aprendizajes Esperados



Reconocer la relación entre la composición y estructura molecular del ADN, sus propiedades y funciones.



Reconocer las características y funciones del ARN.



Conocer los métodos utilizados en ingeniería genética.


Organiacó�, estructur� � actvda� celular

Introducción El estudio de la célula ha permitido detectar la presencia de macromoléculas orgánicas de suma importancia, como lo son el ADN y el ARN, denominados ácidos nucleicos. El ADN es la macromolécula que guarda la información genética de todas las características de un organismo y el ARN es la macromolécula que ayuda a decodificar esa información del ADN, para traducirla a proteínas, proceso denominado expresión de la información génica. El descubrimiento y estudio del ADN ha sido de gran importancia, ya que gracias a estos estudios se han hecho avances científicos importantes, como lo son las distintas aplicaciones biotecnológicas que se estudiarán en éste capítulo.

1. Organización del material genético El material genético de todos los organismos está constituido por ácidos nucleicos: ADN y/o ARN. En organismos que poseen ambos ácidos nucleicos, el ADN contiene la información codificada en su estructura. El ARN participa en los procesos de transmisión y expresión de dicha información, que se traduce finalmente en la síntesis de proteínas. 1.1 Características de los ácidos nucleicos

Todos los ácidos nucleicos están formados por una unidad básica: los nucleótidos . Estas biomoléculas incluyen en su estructura 3 componentes: una base nitrogenada, una pentosa (monosacárido o azúcar simple) y un grupo fosfato. Las bases nitrogenadas son de 2 grupos diferentes, las púricas y las pirimídicas. Las bases púricas corresponden a la Adenina (A) y Guanina (G), mientras que las bases pirimídicas son la Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U). El azúcar simple o pentosa es un azúcar de 5 átomos de carbono, presente tanto en el ADN como en el ARN. En el caso del ADN, encontramos como pentosa a la desoxirribosa y en el ARN, la ribosa. El grupo fosfato es el componente más sencillo y aporta la energía para la incorporación del nucleótido a la cadena del ácido nucleico. Como se mencionó anteriormente, existen 2 ácidos nucleicos: el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) y el ARN (Ácido Ribonucleico), moléculas que estudiaremos a continuación. Las diferencias entre ADN y ARN están nombradas en la tabla inferior.

H C E P C 26

Criterio

ADN

ARN

Pentosa

Desoxirribosa

Ribosa

Organización

Doble hebra

Monohebra

Bases nitrogenadas

A, G, C y T

A, G, C y U

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� ADN

ARN

OH-CH

O

2

OH

5´

PP

4´

D

A

T

3´

C

H

3´

(a)

A R

OH P

Ribosa

C

P O

O

G

H3C

C PP

PP

T

C C

H

D

PP

R

P P

D

1´

H

2´

OH

Desoxirribosa

G

OH H

H

H

2´

OH

D

4´

1´

H

H

P P

P P P

2

5´

H

H

O

OH-CH

A

C

N N

H

H

O

H

C

C

Timina

C N N

(b)

G

H

C

H

H

PP

C

PP

O

R PP

U R

Uracilo

P = Fosfato D = Desoxirribosa R = Ribosa Figura 1. Estructura del ADN y del ARN.

1.2. ADN (Ácido Desoxirribonucleico) El ADN está formado por la unión de desoxirribonucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace se establece entre el grupo fosfato del C- 5 de una desoxirribosa y el grupo hidroxilo del C-3 de la desoxirribosa del nucleótido siguiente. De este modo, los extremos de la cadena son un grupo fosfórico en C-5’, denominado extremo 5’, y un grupo OH en C- 3’, denominado extremo 3’. El ADN se puede encontrar en forma de cadena sencilla (como en algunos virus) o doble (como en procariontes y eucariontes). a. Datos históricos

Esta molécula fue aislada por primera vez en 1869 por el médico alemán Friedrich Miescher. La sustancia que aisló era blanca, azucarada, ligeramente ácida y contenía fósforo; dado que solo la encontró en el núcleo, la llamó “nucleína”. Hoy se conoce como ácido desoxirribonucleico. En 1914, otro alemán, Robert Feulgen, descubrió que el ADN era teñido fuertemente por un colorante rojo llamado fucsina. Esta coloración llamada Feulgen, que marca específicamente al ADN, permitió demostrar que todas las células lo contienen.

b. Evidencias del ADN como material genético •

Experimentos de transformación: en 1928, el investigador británico Frederick Griffith realizó un experimento con ratones de laboratorio y cepas de Streptococcus pneumoniae, bacteria causante de la neumonía.

H C E P C 27



Trabajó con una cepa de estas bacterias que tiene la capacidad de formar una cápsula protectora y que produce la enfermedad (cepa S), y con una cepa que no formaba cápsula y que no producía la enfermedad (cepa R). Un grupo de ratones infectado con la cepa S desarrolló la enfermedad y murió. Al inyectar la cepa R a otro grupo de ratones, no se produjo la infección y sobrevivió. Posteriormente, calentó un cultivo de cepa S matando las bacterias, las cuales inyectó en un grupo de ratones que no desarrolló la enfermedad y sobrevivió. Más tarde, la mezcla de la cepa S muerta por calor con la cepa R fue inyectada a otro grupo de ratones, los cuales desarrollaron la enfermedad y murieron. Las muestras de sangre de estos ratones revelaron la existencia de neumococos encapsulados vivos. Algo se había transferido de las bacterias muertas a las bacterias vivas, que las dotaba de la capacidad de formar cápsula y producir la neumonía. Este “algo” fue llamado principio o factor transformante, el cual debería ser una sustancia que podía transmitir características genéticas de una célula a otra. Griffith sugirió que el principio de transformación podía ser alguna parte de la cápsula o de algún compuesto necesario para la síntesis de la cápsul a. Cepa(s) bacteriana(s) inyectada(s) al ratón

Resultados El ratón se conserva sano

Conclusiones

La cepa R no produce neumonía

Cepa R viva

El ratón contrae neumonía y muere La cepa S produce neumonía Cepa S viva

El ratón se conserva sano

La cepa S muerta por calor no produce neumonía

Cepa S muerta por calor

El ratón contrae neumonía y muere Cepa R viva, cepa S muerta por calor

Una sustancia de la cepa S muerta por calor transforma la cepa R inocua en una cepa S mortífera

Figura 2. Experimento de transformación bacteriana de Griffith.

Posteriormente, en 1944 y tras diez años de investigación, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty identifican el factor transformante.

H C E P C 28

Con este experimento, Avery, MacLeod y McCarty concluyeron: “La prueba presentada apoya el hecho de que un ácido nucleico de tipo desoxirribosa es la unidad fundamental del principio transformante de Pneumococcus cepa S”. Dicho de otra manera, el ADN podría transmitirse desde la capa S a la R, adquiriendo esta última la información para la formación de cápsula.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Para ello, repitieron el experimento de Griffith, pero usando extractos crudos de la cepa S. Fracciones de este extracto fueron modificados enzimaticamente para eliminar uno o más componentes de forma secuencial (proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos). Luego ratones vivos fueron inyectados con una mezcla de la cepa R viva y una fracción del extracto. Al eliminar el ADN del extracto no había transformación. Y al aislar el ADN de la cepa S, la cepa R era transformada y los ratones morían. •

la última palabra en la cuestión de determinar cuál era el material hereditario vino de los trabajos de Alfred Hershey y Martha Chase en los años 50. Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias, los de la serie T-par (T 2, T 4 y T 6). Hershey y Chase trabajan con virus que atacan a la enterobacteria Escherichia coli. Los bacteriófagos consisten en virus de ADN con una cubierta de proteínas (cápside) (Fig. 3). Experimento con bacteriófagos:

Cabeza

ADN

Cuello Collar

Fibras de la cola

Placa basal Figura 3. Bacteriófago.

El proceso de infección consiste en que el virus inyecta su ADN a la bacteria. Este ADN viral se inserta en el ADN de la bacteria, que comienza a fabricar nuevas copias (descendencia) del virus. Luego de 25 minutos de haber inyectado el ADN, las bacterias (célula hospedera) estallan, liberando cientos de nuevos bacteriófagos (Fig. 4). Como los fagos tienen solo ADN y proteínas, eran la herramienta apropiada para revelar la naturaleza química del material hereditario. Los collares, las vainas y las placas basales son unidas a la cabeza. Las fibras de la cola se unen al final.

El ADN es empaquetado en la cabezas. 6

5

Cabezas del fago vacías y piezas del ADN del fago.

CICLO LÍTICO

Las células bacterianas se destruyen liberando los fagos completos.

7

4

El ADN del fago dirige el metabolismo bacteriano para producir los componentes vitales: proteínas y copias del ADN del fago.

3

1

El ADN del fago se inserta dentro del ADN bacteriano. 2 Figura 4. Ciclo lítico de un bacteriófago.

El fago se adhiere a sitios receptores sobre la pared celular bacteriana, penetrándola e insertando su ADN. H C E P C 29



En 1952, Hershey y Chase diseñaron una experiencia para averiguar si la herencia era comunicada por el ADN o por las proteínas. Utilizaron técnicas de marcaje radioactivo para construir dos tipos de poblaciones de fagos distintos (ambas T 2). Una población de fagos creció en un medio que contenía el isótopo radioactivo S35. El S35 marca a las proteínas que contienen a los aminoácidos cisteína o metionina y por lo tanto esta población contiene proteínas radioactivas y no ADN radioactivo, ya que el ADN no contiene azufre. La segunda población de virus creció en un medio que contenía P32. El P32 marca los ácidos nucleicos, pero no a las proteínas, de manera que esta población contiene ADN radioactivo y proteínas no radioactivas. Ambos tipos de virus fueron utilizados por separado para infectar a células de E. coli susceptibles. S

P

32

35

Los virus bacteriófagos se cultivan en medio con 35 S para marcar la cubierta proteínica o con 32P para marcar el ADN

Los virus infectan las bacterias

Figura 5A. Experimento de Hershey y Chase. Infección con fagos marcados.

Después de la infección, y antes de que se completara el ciclo lítico sometían a las células a una fuerte agitación mecánica para desprender de la superficie de la célula a todos los virus que pudiesen estar adheridos, y después, por centrifugación separaban las células de las partículas víricas. Las células se acumulan en el sedimento (abajo en el tubo), y los fagos permanecen en el sobrenadante (arriba en el tubo). (Fig. 5B)

Se agitan las células en una mezcladora

Se agitan las células en una mezcladora

Se separa por centrifugación

Se separa por centrifugación

Figura 5B. Experimento de Hershey y Chase. Centrifugación.

H C E P C 30

A continuación median la radiactividad asociada a las células. Las células presentaban radioactividad únicamente cuando se hacía la experiencia con P 32, lo que indicaba que el ADN viral estaba en el interior de las bacterias. Cuando se hacia con S 35, las células no contenían radiactividad (Fig. 5C). Como los virus que surgen de ambos ciclos líticos son absolutamente normales, este experimento indica que las características genéticas del virus han sido comunicadas a la descendencia mediante el ADN, no mediante las proteínas.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� P

32

S

35

Las bacterias contenidas en el sedimento tienen ADN marcado con 32 P

Proteína marcada con S en el sobrenadante

35

Reproducción viral dentro de las células bacterianas del sedimento

Lisis celular Figura 5C. Experimento de Hershey y Chase. Marca radiactiva en células infectadas.

La conclusión es evidente: el ADN es el material hereditario y las proteínas del fago solo son empaquetadores estructurales que se desechan después de inyectar el vital ADN en la célula bacteriana.

•

Experimentos de difracción de rayos X: al someter a bombardeo de rayos X a una molécula, estos se dispersan en función de la estructura atómica de la molécula (Fig. 7). Este patrón de dispersión puede ser registrado en una película fotográfica. El proceso fue usado con éxito en el estudio de la estructura proteica por Linus Pauling y otros. Posteriormente, fue empleado en el estudio del ADN (Fig. 6).

Ojo con Química del ADN

Entre 1949 y 1953, Erwin Chargaff y colaboradores determinaron que: - La cantidad de residuos de A es proporcional a la de los residuos de T, así como la cantidad de residuos de G es proporcional a la de residuos de C.

Figura 6. Patrón de difracción de rayos X del ADN.

- Basándose en la proporcionalidad, la sumas de las purinas (A + G) es igual a la suma de las pirimidinas (C + T). - El porcentaje de C + G no es necesariamente igual al porcentaje de A + T.

H C E P C 31



Entre 1950 y 1953, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, ambos científicos británicos, usaron este método para estudiar el ADN. Descubrieron que esta molécula es helicoidal, que tiene un diámetro uniforme de dos nanómetros (2 mil millonésimas de metro) y que, además, está compuesta de subunidades que se repiten.

rayos x

ADN Figura 7. Difracción de rayos X a través del ADN.

En 1953, James Watson y Francis Crick describen su modelo aceptado hasta nuestros días, que plantea los siguientes puntos: - el ADN está formado por 2 cadenas de desoxirribonucleótidos, enrolladas alrededor de un eje común (doble hélice). Estas cadenas tienen un carácter antiparalelo, porque sus direcciones de crecimiento son opuestas. - las bases nitrogenadas están orientadas hacia el interior de la doble hélice y en forma perpendicular a cada cadena. La pentosa y el grupo fosfato se disponen hacia el exterior, formando aproximadamente un ángulo recto respecto a la base. - la hélice tiene unos 2 nm de diámetro. Las bases están separadas por unos 3,4 Å. - ambas cadenas se estabilizan a través de puentes de hidrógeno, formados por pares de bases enfrentadas en forma complementaria: la Adenina se aparea con la Timina y la Guanina con la Citosina, con 2 y 3 puentes de hidrógeno respectivamente. Además, los nucleótidos dentro de una misma hélice se unen por enlaces fosfodiéster. - la secuencia de bases no está restringida en modo alguno. Es esta secuencia la que contiene la información genética (Fig. 8). O

’O G

OH

O H2C

Extremo 5’

C

Puente de hidrógeno

P

OH

T

A A

1

O

nm

’O G

C

3,4 C A

G

C

’O T

O H2C

G

A

O H2C

H C E P C 32

O

T

G A

’O C

0,34

O

CH2 O O’ P O O

O

CH2 O O’ P O O

O

CH2 O O’ P HO O

P

C

A T

CH2 O O’ P O O

C

O

A

A

O

P

O

G

A

O

nm

T

Extremo 3’

G

O P O H2C

A

T

nm

T

Extremo 3’

OH

Figura 8. Estructura de la doble hélice de ADN.

Extremo 5’

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� c. Transmisión de la información génica: Replicación del ADN

La replicación es el proceso que permite la formación de nuevas copias de la información genética a partir de una molécula patrón. En otro sentido, es la duplicación de la totalidad de los genes que posee una célula para que pasen en cantidades equitativas a las células hijas. Cada copia de ADN es idéntica a la otra en cantidad y calidad de información genética. La primera enzima que participa en la replicación es la topoisomerasa, que produce un desenrollamiento de la molécula de ADN, liberando la tensión de sobreenrollamiento

Sabías que...

Los genes son segmentos de ADN que se transcriben en ARN. Para que un gen se exprese, es necesario que sea transcrito y traducido y que la proteína resultante lleve a cabo una acción dentro y fuera de la célula.

La replicación requiere de la separación de las 2 cadenas de la doble hélice, lo que se logra a través de proteínas de unión a la cadena simple (SSB) y la enzima helicasa. Las proteínas SSB mantienen separadas las cadenas de ADN para ser copiadas. La separación es fundamental debido a que cada cadena de polinucleótidos sirve de molde para la síntesis de una nueva molécula de ADN siguiendo la regla del apareamiento de bases, A con T y C con G. La replicación del ADN es semiconservativa, es decir, se sintetiza la mitad del ADN, mientras que la otra mitad proviene de la molécula original, que sirvió de molde o patrón. Hay tres modelos de replicación: replicación conservativa, dispersiva y semiconservativa (Fig. 9)

Replicación conservativa

Replicación dispersiva

Replicación semiconservativa

Figura 9. Modelos de replicación.

El ADN es sintetizado por enzimas denominadas ADN polimerasas, que son necesarias no solo para la replicación del ADN, sino que también para su reparación. Estas ADN polimerasas sintetizan ADN solo en el sentido 5’ a 3’, lo cual crea un problema porque las 2 cadenas del ADN son antiparalelas. Aquella que se enfrenta a la ADN polimerasa en la dirección correcta 5’ a 3’ sintetiza una larga cadena complementaria continua. En la otra cadena, que se denomina retrasada, la replicación se efectúa de manera discontinua, sintetizándose cortos fragmentos de ADN (siempre en dirección 5’ a 3’) que después s on unidos por una ADN ligasa. Reiji Okazaki (científico japonés) fue quien descubrió estos segmentos cortos de ADN (fragmentos de Okazaki) y la manera como se sintetizaban.

H C E P C 33



Las ADN polimerasas únicamente pueden alargar una molécula cebadora. Esta corresponde a un segmento corto de ARN que es sintetizado por la enzima ARN primasa. Este ARN cebador (o primer) posteriormente es retirado, el espacio es llenado por una ADN polimerasa y termina de unirse por una ADN ligasa. Los fragmentos de Okazaki solo se encuentran en la hebra de replicación discontinua.

Dirección general de la replicación

Topoisomerasa

Horquilla de replicación Proteínas de unión a la cadena simple (SSB)

Helicasa

ADN polimerasa ARN primasa ADN polimerasa ADN ligasa

ARN ADN Cebador de ARN Fragmentos de Okazaki

Cadena retrasada con fragmentos de Okazaki

Figura 10. Replicación del ADN.

La replicación en procariontes y eucariontes es bidireccional. La diferencia es que en procariontes se tiene solo un origen de replicación y en eucariontes, en cambio, existen múltiples orígenes de replicación (lo que se justifica por el mayor tamaño del material genético eucariótico). Otra diferencia está en que el ADN eucariótico posee nucleosomas que se arman simultáneamente con la replicación del ADN.

Ojo con Desnaturalización:

El calor o los valores de pH extremos producen la ruptura de los puentes de hidrógeno que unen las cadenas, por lo que estas se disocian rápidamente. La renaturalización se producirá fácilmente al recuperar las condiciones iniciales. H C E P C 34

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En células procariontes hay una sola molécula de ADN, que suele adoptar la forma de un círculo cerrado. En células eucariontes hay varias moléculas diferentes, con una longitud mucho mayor que el ADN procarionte, por lo que tiene una organización más compleja para poder ser contenido en el núcleo.

Origen Terminación

n ó i c a i c l p e R

Actividades

1. Define: a. Purina: b. Pirimidina: c. Origen de replicación: d. Cadena adelantada: e. Cadena retrasada: f. Cebador de ARN: g. Fragmentos de Okazaki:

n ó i c a i c l p e R

2. Explica cada uno de los datos que llevaron a Watson y Crick a su modelo de doble hélice. 3. Investiga y explica el experimento de Meselson y Stahl. 4. ¿Qué importancia tiene la complementaridad A-T y G-C para la estructura y función del ADN? 5. Completa el siguiente cuadro:

Enzima

Función

Polimerasa Helicasa Topoisomerasa Ligasa Primasa Figura 11. Replicación en procariontes.

1.3 ARN (Ácido Ribonucleico) a. Expresión génica: Transcripción de la información

El ADN es el material genético de las células, o sea, la molécula que lleva la información en forma codificada de una célula a otra y de los progenitores a sus hijos. La expresión de un gen se logra mediante su copia en ARN, que a su vez dirige la síntesis de proteínas específicas (última etapa en la expresión de la información genética). El ADN, a pesar de contener la información genética, no puede ser vir de molde directo para la formación de proteínas y, por ello, debe ocurrir la transcripción.

H C E P C 35



La transcripción es un proceso de copia del ADN para formar ARN. Este proceso es realizado por la enzima ARN polimerasa. Es un proceso asimétrico porque solo se copia una de las hebras del ADN. Por otra parte, la longitud de las cadenas de ARN es heterogénea y refleja la longitud de la cadena polipeptídica para la cual codifica. Cadena inactiva de ADN (no transcrita)

ARN polimerasa Cadena molde de ADN (transcripción)

La ARN polimerasa opera de la misma forma que la ADN polimerasa, moviéndose en dirección 3à 5` a lo largo de la cadena molde de ADN, sintetizando una nueva cadena complementaria de nucleótidos (ribonucleótidos), en la dirección 5à 3`. Así la cadena de ARN es antiparalela a la cadena molde de ADN de la cual es transcrita. Cuando la enzima inicia la transcripción, se une al ADN en una secuencia específica denominada secuencia promotora o promotor y abre la doble hélice en una pequeña región. Así quedan expuestos los nucleótidos de una secuencia corta de ADN. Luego la enzima va añadiendo ribonucleótidos, moviéndose a lo largo de la cadena molde, desenrollando la hélice y exponiendo así nuevas regiones. El proceso de elongación de la nueva cadena de ARN continúa hasta que la enzima encuentra otra secuencia especial denominada señal de término. En este momento, la enzima se detiene y libera a la cadena de ADN molde y a la recién sintetizada cadena de ARN.

ARN

Figura 12. Transcripción.

Sabías que...

En procariontes existe solo una clase de ARN polimerasa, mientras que en eucariontes hay tres:

La mayoría de los genes contienen secciones de ADN que no codifican proteínas. Estas zonas son luego separadas a nivel del ARN para empalmarse los segmentos restantes. Los segmentos removidos se denominan intrones o secuencias intercaladas y los segmentos que permanecen en el ARNm (ARN mensajero) maduro, exones. Los ARNm que poseen intrones no pasan al citoplasma hasta perder el último intrón, lo cual asegura que no se traduzcan en una proteína incorrecta (formando un transcrito maduro). Así, este procesamiento ocurre en el núcleo.

- ARN polimerasa I está ubicada en el nucléolo y forma ARN ribosomal. - ARN polimerasa II está ubicada en el nucleoplasma y forma ARN

El procesamiento del ARN permite hacer distintas combinaciones de exones, de manera que se pueden formar de 15 a 20 proteínas diferentes a partir de una única uni dad transcripcional.

mensajero. - ARN polimerasa III está ubicada en

Unidad de transcripción

el nucleoplasma y forma ARN de

Intrón Intrón Exón Exón Exón

transferencia.

ADN

Otra diferencia en la transcripción eucariótica es que se lleva a cabo

Figura 13. Intrones y exones.

en el núcleo, mientras que en procariontes, en el citoplasma.

b. Clases de ARN

La interposición de la membrana nuclear como barrera hace a los ARN

mensajeros

mucho

más

estables. Por ejemplo, el ARNm H C E P C 36

de

reticulocitos

inmaduro)

(glóbulo

contiene

ARN

rojo que

continúa produciendo hemoglobina durante horas y hasta días después de que el núcleo se ha perdido.

Se pueden definir 3 clases de ARN: • ARN mensajero (ARNm): este ARN contiene la información que le ha traspasado el ADN para dirigir la formación de una proteína en particular, actuando como intermediario. El ARNm se organiza sobre la base de codones que especifican el aminoácido que se debe incorporar a la proteína en formación. Un codón es un triplete, es decir, 3 nucleótidos.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Las cadenas de ARNm son largas, poseen de 500 a 10.000 nucleótidos y son de cadena simple. Estas moléculas son copias activas del ADN que se usan en la síntesis de proteínas para determinar la secuencia de aminoácidos. ARNm

A

G

A

U

G

C

G

A

G

U

U

A

U

G

G

Figura 14. ARN mensajero.

• ARN de transferencia (ARNt): al igual que el ARNm, participa en la síntesis de proteínas en forma complementaria, de manera que también se organiza sobre la base de un triplete, que ahora l lamamos anticodón, y que lee en forma específica los codones del ARNm. Los ARNt son un grupo pequeño de ARN que poseen entre 75 y 85 nucleótidos de longitud, que sirven como adaptadores moleculares durante la síntesis proteica. Los aminoácidos no pueden reconocer por sí solos los codones del ARNm. El ARNt posee un triplete de nucleótidos denominado anticodón, que establece puentes de hidrógeno con el codón del ARNm. Simultáneamente puede unir el aminoácido correspondiente al codón que se leyó. Así, un aminoácido específico es l levado al ribosoma en respuesta al codón adecuado. Los ARN de transferencia tienen una estructura secundaria en hoja de trébol. Esta se logra por regiones que no son complementarias, y que tienen forma de asa o mango, y por otras regiones cortas que sí son complementarias (Fig. 15). Los ARNt se unen a su aminoácido correspondiente en el citoplasma, proceso que requiere gasto de ATP. • ARN ribosomal (ARNr): es el más abundante en la célula. Forma parte del ribosoma, que es una asociación entre ARNr y proteínas, en donde se produce la lectura del ARNm para traducirlo en una proteína específica (Fig. 16). Los ribosomas son partículas esferoidales que contienen cantidades aproximadamente iguales de ARNr y proteína. Están en todas las células. Los ribosomas sirven como una especie de andamio para la interacción ordenada de las numerosas moléculas que intervienen en la síntesis proteica, principalmente ARNm y ARNt.

Aminoácido

Aminoácido

Procesamiento post transcripción anticodón anticodón

Figura 15. ARN de transferencia.

Si son centrifugados, los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 80S, mientras que los procarióticos tienen un coeficiente de 70S. Esto indica una diferencia estructural entre ambos. El nucléolo es el lugar del núcleo donde se generan los ribosomas, ya que es el lugar donde se ensamblan los ARNr, fabricados en el núcleo, con las proteínas ribosómicas provenientes del citoplasma. Los ribosomas tienen 2 subunidades: mayor y menor (Fig. 16). La subunidad menor es la que se une al ARNm en un sitio específico para iniciar la síntesis. La subunidad mayor contiene la actividad peptidiltransferasa, que cataliza la formación del enlace peptídico. Además, la subunidad mayor posee 2 sitios para la unión de ARNt: el sitio A (aminoacídico) y el sitio P (peptídico), lugar donde se encuentra la actividad peptidiltransferasa (Fig. 16).

H C E P C 37



Ribosoma (contiene ARNr)

Sitio catalítico

Subunidad grande

A

P

Sitios de unión de ARNt/aminoácidos

Subunidad pequeña

Figura 16. Ribosoma.

Sabías que...

Existen virus que tienen ARN como material genético. Estos virus, que se denominan retrovirus, poseen además la enzima transcriptasa inversa. Los virus son parásitos intracelulares y para reproducirse deben integrarse al material genético del hospedero, lo cual pueden hacer solo como ADN. El retrovirus inyecta ARN a su hospedero. Esto permite la fabricación de la enzima transcriptasa inversa. Esta enzima permite la producción de una hebra de ADN a partir del ARN viral. Luego esta única hebra de ADN sirve de patrón para formar la complementaria y una vez que se tiene el ADN dúplex (doble hebra), este se integra al material genético del hospedero. gp120 Proteína de la matriz

gp41 ARN viral

Integrasa

Core

Bicapa lipídica

Proteasa

Transcriptasa inversa

c. Código genético: Un gen, una enzima

H C E P C 38

Hasta la década de 1940, no se sabía la forma en que el material genético realizaba las funciones celulares. En 1940, dos investigadores, George Beadle y Edward Tatum, trabajaron con el hongo rojo del pan Neurospora crassa. Este corresponde a una especie prototrófica, vale decir, es capaz de crecer en medio mínimo de cultivo, que consiste en unas pocas sales minerales, azúcar y biotina. Estos investigadores pensaban que las otras sustancias necesarias para el crecimiento del hongo debían ser sintetizadas por el mismo hongo. Su control era a través de los genes del hongo. Para verificar esta idea, irradiaron las Neurospora con rayos X, alterando sus genes.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Al cultivar las esporas irradiadas, encontraron que algunas de las nuevas esporas no podían ya sobrevivir en medio mínimo, a menos que se le suministraran ciertas sustancias que anteriormente ellas mismas fabricaban. De los datos obtenidos, concluyeron que los genes controlan las reacciones químicas de una célula a través de sus enzimas. De ahí la famosa frase: “un gen, una enzima”.

Asco

Cuerpo del fruto maduro (ascocarpo)

El moho crece en medio enriquecido

La muestra se transfiere a dos medios diferentes

Medio mínimo

Medio enriquecido Crece

No crece

Muestras transferidas a una serie de medios mínimos, cada uno con suplementos de solo uno de los aminoácidos conocidos

gly

ser

ala

phe

val

tyr

trp

glu

gln

arg

cys

his

leu

asn

No crece

Figura 17. Experimento de Beadle y Tatum.

met

ile

asp

lys

thr pro Crece

H C E P C 39



El estudio del control genético de las enzimas lleva a la idea actual de que los genes regulan no solo la producción de enzimas, sino también la síntesis de todas las proteínas. Por lo tanto, la hipótesis ha sido reformulada en términos de que un gen es a una proteína, o mejor dicho, un gen es a una cadena polipeptídica, o incluso otra molécula como ARNt o ARNr. Si bien es cierto que el ARNm es una copia del gen que se organiza sobre la base de 4 nucleótidos (A, U, C y G), su unidad funcional está formada por 3 nucleótidos: el triplete o codón, por ejemplo, AUU, CAG, CCA, etc. El número máximo de codones diferentes que se pueden formar son 64 ( 43). El conjunto de estos 64 codones del ARNm conforma el código genético, el cual está encargado de codificar los 20 aminoácidos diferentes que existen en la naturaleza. Segunda letra U

) ´

U

5

o m e r t x e ( a r t e l a r e m i r P

C

A

G

UUU UUC UUA UUG

UCU UCC UCA UCG

phe leu

CUU CUC CUA CUG

CCU CCC CCA CCG

leu

AUU AUC AUA AUG GUU GUC GUA GUG

C

ACU ACC ACA

A

ser

pro

UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG

met (inicio)

ACG

AAU AAC AAA AAG

val

GCU GCC GCA GCG

GAU GAC GAA GAG

ile

thr

ala

G UGU UGC UGA UGG

tyr detención detención

CGU CGC CGA CGG

his gln

AGU AGC AGA AGG

asn lys

GGU GGC GGA GGG

asp glu

cys detención trp

U C A G U C A G

arg

U C A G

ser arg

T e r c e r a l e t r a ( e x t r e m o 3

´ )

U C A G

gly

Figura 18. Código genético. Tabla 1. Abreviaciones de los aminoácidos Abreviación

Aminoácido

Abreviación

Aminoácido

Abreviación

Aminoácido

Abreviación

Aminoácido

Phe

Fenilalanina

Ser

Serina

Gln

Glutamina

Cys

Cisteína

Leu

Leucina

Pro

Prolina

Asn

Asparragina

Trp

Triptófano

Tyr

Tirosina

Thr

Treonina

Lys

Lisina

Arg

Arginina

Met

Metionina

Ala

Alanina

Asp

Aspartato

Gly

Glicina

Val

Valina

His

Histidina

Glu

Glutamato

Ile

Isoleucina

Este código genético es universal, ya que todos los organismos usan los mismos codones para determinar los aminoácidos. La única excepción está dada por las mitocondrias, que presentan algunos codones diferentes al resto de los seres vivos.

H C E P C 40

Por otra parte, 3 de los 64 codones se denominan sin sentido, debido a que no determinan ningún aminoácido y su rol es el de señalar el término de la traducción (stop) (Fig. 18). Los 61 codones restantes se encargan de determinar los 20 aminoácidos diferentes, por lo que necesariamente deben existir sinónimos. Por ejemplo, el aminoácido valina es determinado por los codones GUU, GUC, GUA y GUG (Fig. 18).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En resumen, el código genético presenta las siguientes características: - Es universal. - Es degenerado, ya que un mismo aminoácido puede estar determinado por varios tripletes. - Está organizado en secuencias de 3 nucleótidos, cada secuencia es llamada codón. - Presenta un codón de inicio. - Presenta tres codones de término. - No es ambiguo, pues cada triplete tiene su propio significado.

1.4 Traducción. Biosíntesis de proteínas La traducción corresponde a la síntesis de proteínas y representa un proceso irreversible. La imagen esquematiza el llamado dogma modificado de la biología molecular. En este la transcripción es sinónimo de síntesis de ARN.

Replicación

ARN ó n i c i p n s c r c i ó n p a Traducción i r T s c r n a o t r ADN R e t r Proteína

Figura 19. Dogma central de la biología molecular.

La síntesis de proteínas es la transferencia de información del lenguaje de los nucleótidos al de los aminoácidos y ocurre en 3 etapas: - Iniciación. - Elongación. - Terminación.

1.4.1 Etapa de iniciación El primer paso de la síntesis proteica es la unión de la subunidad ribosómica menor al sitio de unión del ribosoma en la molécula de ARNm. Este sitio contiene el codón AUG (codón de inicio), en el cual comienza la síntesis proteica y a la vez codifica para Metionina. Solo después de la unión del ARNm con la subunidad menor, se incorpora la subunidad mayor.

GTP con factor de elongación

d e a r n g a d n i d u b S u

Complejo de iniciación

Disociación de los factores de iniciación

H C E P C 41

Subunidad pequeña Ribosoma entero

Figura 20. Traducción. Etapa de iniciación.


Organiacó�, estructur� � actvda� celular 1.4.2 Etapa de elongación 1. 2. 3. 4.

Entrada de un ARNt portando un aminoácido específico en el sitio P del ribosoma. Entrada de otro ARNt al sitio A. Formación de un enlace peptídico y la consiguiente expulsión del ARNt que estaba ocupando el sitio P. Translocación del ARNt (que ahora lleva la cadena peptídica) desde el sitio aminoacídico (A) hacia el peptídico (P). Repetición de los pasos 2 y 3. P D G

Disociación del factor de elongación

Enlace peptídico

P T G

Figura 21. Traducción. Etapa de e longación.

1.4.3 Etapa de terminación Finalmente, se llega a la terminación del proceso cuando se lee el codón UGA (codón sin s entido), que significa Fin. De esta manera, se desacopla el sistema, y se separa la proteína formada.

P o l i é p p t i d o l i b r e

Factor de liberación

Figura 22. Traducción. Etapa de terminación.

La velocidad con que ocurren estos procesos coordinados se manifiesta por el hecho de que una sola cadena de hemoglobina, formada por 150 aminoácidos, se constituye en apenas un minuto aproximadamente. Durante la síntesis de proteínas, cada molécula de ARNm es traducida simultáneamente por varios ribosomas, formando una estructura denominada polisoma o polirribosoma. Esto aumenta considerablemente la velocidad con que puede traducirse un péptido largo.

1.5 Regulación genética H C E P C 42

Todas las células somáticas heredan las mismas cantidades y calidad de información genética. Esta situación es compatible con el concepto de totipotencialidad, según la cual una célula es capaz de generar a un individuo completo, con todos sus tejidos, órganos y sistemas. Esto no significa que una célula exprese todo su capital genético simultáneamente, es más, algunas células no expresan nunca la mayor parte de su potencial genético.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Por ejemplo, las células que se diferencian en la retina expresan aquella información relacionada con los pigmentos visuales; sin embargo, poseen en su genotipo la misma información que las células del hígado utilizan para desintoxicar al organismo, generar la bilis, etc. Otro aspecto importante en relación a la información genética de los organismos es la temporalidad de la expresión genética. La información que posee una célula tiene un patrón de expresión en el tiempo; así, por ejemplo, la actividad embrionaria requiere que las células migren, se dividan activamente y/o mueran. Luego, en otra etapa de la vida, las células se van especializando según el momento del desarrollo, como en los cambios hormonales de la pubertad, en el desarrollo e involución posterior del timo, etc. Estos ejemplos demuestran que la información genética debe expresarse en algún momento de nuestra vida, e incluso que parte de ella nunca se expresará y permanecerá en estado latente.

Actividades 1.

La transcripción y la traducción en procariontes son procesos ligados, pero en eucariontes son separados. Basándose en sus conocimientos de estructura celular, proponga una explicación probable para que ambos procesos no estén ligados en eucariontes.

2. Dada la siguiente secuencia de ADN: 3`- AAGTTTGGTTACTG-5` Responde: ¿Cuál es la secuencia de bases de ARNm transcrita a partir de esta secuencia de ADN? ¿Cual es la secuencia de ARNt para cada codón? ¿Cuál sería la secuencia de aminoácidos codificada por el ARNm? 3.

Antibióticos como la eritromicina, se unen a la subunidad ribosómica pequeña de las bacterias e inhiben la traducción. ¿Por qué causan la muerte de las bacterias?

1.6 Mutaciones en el material genético Cuando las células se dividen, duplican su material genético. En general, este proceso está muy controlado y no ocurren errores, pero el mecanismo no es 100% efectivo. Por este motivo “cada tanto” se produce un error (en promedio, uno cada 109 nucleótidos). Estos errores son cambios permanentes en la secuencia del ADN y se denominan mutaciones. En general, las mutaciones son espontáneas pero hay ciertos agentes que aumentan la probabilidad de que estas ocurran. No todas provocan enfermedades, solo ocurrirá si el gen afectado origina una proteína modificada. La mayoría de las mutaciones afectan secuencias no codificantes o no provocan cambios en aminoácidos de la proteína o el cambio no afecta una región clave del polipéptido. Se dice, entonces que son silenciosas. Las mutaciones pueden ser de diversos tipos, según el tamaño de los cambios en el genoma. Aquellas que implican solo un par de nucleótidos son denominadas mutaciones puntuales y pueden originarse por el cambio de un nucleótido por otro, la inserción o deleción de uno o más de un nucleótido. Estas últimas provocan efectos más drásticos porque afectan el marco de lectura. No todas las mutaciones tienen efectos visibles. Cuando se cambia una base por otra la mutación puede ser silenciosa debido a la degeneración del código genético. Si una mutación en el ADN provoca la aparición de un codón UAC en lugar de UAU en el ARNm, no habrá algún efecto notorio porque ambos codones codifican el mismo aminoácido, tirosina, o porque afecta zonas del ADN no codificantes. Si el cambio se da en el primer nucleótido de alguno de los codones (por ejemplo en el ARNm, UAC cambia por AAC), el aminoácido codificado será tirosina en vez de asparragina. Asimismo, existen otros tipos de mutaciones no puntuales en los que se pierden grandes segmentos de ADN o “saltan” segmentos de genoma a otros lugares y se introducen en secuencias codificantes, en el peor de los casos.

H C E P C 43

2


� l u t í p a C

Sabías que... Mutación, proteína y enfermedad:

La precisión y la fidelidad de la replicación del ADN y de su trascripción, así como de la traducción de ARNm a proteínas debe ser perfecta, puesto que una sola copia defectuosa de un gen puede ser algo mucho más serio que un simple error. Estas modificaciones son llamadas mutaciones. La importancia de una mutación es que todas las proteínas hechas a partir de un gen mutante presentarán el defecto. Si este gen codifica para una enzima, se tendrá una cadena metabólica completa afectada. Por ejemplo, en la especie humana se da una enfermedad genética conocida como fenilcetonuria. Normalmente la fenilalanina en nuestro organismo es convertida en tirosina; en cambio, en las personas que sufren la enfermedad, se acumula pudiendo causar deficiencia mental junto a otras manifestaciones.

2. Biotecnología “Científicamente, el siglo XX sorprendió a la sociedad con dos grandes logros que involucran viajes. Uno hacia el exterior: el alunizaje de astronautas en 1964, y uno hacia el interior del hombre mismo: la obtención del primer borrador del genoma humano, en el 2000. Este conocimiento sobre el genoma humano maravilla y a la vez inquieta por la eventual posibilidad de manipulación y por sus eventuales implicancias sobre asuntos antes considerados propios de los designios de Dios y la naturaleza y, por ende, inmanejables y no manipulables”. (Dr. Manuel Santos. Facultad de Ciencias Biológicas. Pontificia Universidad Católica de Chile. 2001).

2.1 El Proyecto Genoma Humano Cada cromosoma está formado por una molécula de ADN y contiene cientos a miles de genes. Se estima que el genoma humano está formado por unos 25 mil genes, que constituyen solo el 2% del total de ADN del genoma. Existe también ADN fuera del núcleo, en las mitocondrias. Este contiene 37 genes y se transmiten exclusivamente a través del ovocito (actualmente esta idea se encuentra en duda). El llamado “Proyecto Genoma Humano” (PGH) es un proyecto que tiene como objetivos:

H C E P C 44

-

conocer la secuencia de todo el ADN humano (que contiene alrededor de 3 mil millones de pares de bases nitrogenadas).

-

identificar los aproximadamente 25.000 genes.

-

conocer genes involucrados en enfermedades de causa genética y ambiental, por ejemplo, los involucrados con el cáncer.

-

dirigir las cuestiones éticas, legales y sociales que se derivan del proyecto.

-

desarrollar de modo rápido y eficiente tecnologías de secuenciación.

Siempre que los avances científicos y tecnológicos se producen con esta rapidez, el entusiasmo por seguir adelante no deja lugar a una meditación acerca de los pros y los contras que pueden provocar.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 2.2 Ingeniería genética A mediados de 1970 comienza una revolución en biología: la tecnología del ADN recombinante. Esta técnica ha permitido realizar avances desde la biología celular hasta l a evolución. Se denomina ADN recombinante recombinante a las moléculas de ADN producidas por la unión de segmentos que provienen provienen de diferentes fuentes biológicas. Las técnicas de construcción de ADN recombinante se conocen como técnicas de ingeniería genética. El desarrollo de esta tecnología, que permite la obtención de grandes cantidades de ADN que codifican para una proteína específica, no solo ha facilitado la investigación de la organización, estructura y expresión génica, sino que su aplicación ha supuesto un espectacular avance en el diagnóstico de enfermedades metabólicas e infecciosas y en la obtención de fármacos y vacunas recombinantes. En un futuro revolucionará el tratamiento de un gran número de enfermedades mediante la terapia génica. Existe una serie de pasos básicos para la obtención de ADN recombinante: •

En primer lugar, lugar, se necesita disponer del fragmento fragmento de ADN a recombinar recombinar.. Este se obtiene de una fuente fuente biológica a través de la utilización de enzimas de restricción (enzimas que cortan el ADN en sitios específicos conocidos) (Fig. 23A) y se amplifica mediante la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), o bien por ARN mensajero maduro que produce el gen del que se hace la copia de ADN.

5’

3’

5’

3’

+ Enzima de restricción 5’

3’

3’

3’

5’

3’

5’

Figura 23A. ADN recombinante. recombinante. Obtención de un fragmento de ADN con enzima de restricción.

•

Una vez obtenido el fragmento, fragmento, se inserta en otra otra molécula de ADN, que se denomina vector, vector, produciéndose así la molécula de ADN recombinante (Fig. 23B). Los vectores pueden replicarse de manera autónoma en una célula hospedera, lo que permite la manipulación y multiplicación de la nueva molécula de ADN recombinante construida.

H C E P C 45

2


� l u t í p a C

Un gen de interés

ADN de otro organismo

(a)

Plásmido de una bacteria Ambos se tratan con enzima de restricción

(b)

Se mezcla, se permite que los extremos complementarios se apareen, y los extremos cortados se unen con ligasa de ADN

(c)

Figura 23B. ADN recombinante. Formación del vector.

•

H C E P C 46

La molécula de ADN recombinante recombinante se transfiere a la célula hospedera, dentro dentro de la cual se replica intensamente, de tal forma que se generan numerosas copias, que se denominan clones.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Sitios de escisión Fragmento 1

Fragmento 2

Fragmento

3

Fragmento

4

ADN humano (a)

Se corta con una enzima de restricción

Fragmento de interés

(b)

Gen para resistencia a antibiótico Las bacterias con el plásmido viven y se multiplican Las bacterias sin el plásmido no proliferan

Caja de Petri con el medio que contiene antibiótico

(c) Figura 24. ADN recombina recombinante. nte.

•

Al replicarse replicarse las células hospederas, las células descendientes heredan el el ADN recombinante, recombinante, creándose creándose una población de células idénticas, todas ellas portadoras de la secuencia clonada. Las células más usadas son las bacterianas (Fig. 24).

2.3 Aplicaciones de de la ingeniería genética La tecnología del ADN recombinante no solo ha proporcionado un nuevo conjunto de herramientas para examinar cuestiones fundamentales acerca de cómo cómo funcionan las células vivas, vivas, sino también también ha permitido permitido abordar desde nuevas perspectivas problemas problemas de tecnología aplicada a numerosos numerosos campos. En algunos casos, la producción de proteínas y organismos organismos reconstruidos por ingeniería genética ha comenzado a tener un efecto efecto considerable en nuestras vidas. Los Los casos más notables están en en el campo de la farmacología farmacología y medicina. La insulina humana producida por Escherichia coli fue una de las primeras proteínas que se obtuvieron por ingeniería genética en forma comercial. Antes del desarrollo de esta técnica, la insulina que los diabéticos utilizaban provenía de otros animales, como los cerdos. El problema que existía se relacionaba con la alergia que desarrollaban los pacientes, pacientes, debido a que la secuencia de aminoácidos entre entre la insulina humana y la de cerdo difiere en unos cuantos aminoácidos. La capacidad capacidad de producir la hormona humana por métodos de ADN recombinante ha generado beneficios médicos significativos para los diabéticos.

H C E P C 47



La ingeniería genética tiene numerosas aplicaciones en campos muy diversos, que van desde la medicina hasta la industria. Sin embargo, es posible hacer una clasificación bastante simple bajo la cual se contemplan todos los usos existentes de estas técnicas de manipulación genética: aquellos que comprenden la terapia génica y aquellos que se encuentran bajo el alero de la biotecnología.

2.4 Usos de de la terapia génica Hoy el desafío de los científicos es, mediante el conocimiento del Genoma Humano, localizar “genes defectuosos”, que poseen información genética que provoque enfermedades, para cambiarlos por otros sin tales defectos. La ventaja quizá más importante de este método es que se podrían identificar en una persona enfermedades potenciales que aún no se hayan manifestado, reemplazar el gen defectuoso o iniciar un tratamiento preventivo para atenuar los efectos de la enfermedad. Por ejemplo, se le podría descubrir a una persona totalmente sana un gen que la pondría en un riesgo de disfunciones cardíacas severas. Si a esa persona se le ini ciara un tratamiento preventivo, habría posibilidades de que la enfermedad no se desarrollara nunca. 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. Si bien la información del Genoma Humano fue recientemente descubierta, ya se han localizado los “loci” de varias enfermedades de origen genético. Algunas de ellas son: • • • • • • • • • • • • • • •

Hemofilia. Alcoholismo. Corea de Huntington. Anemia falciforme. Fibrosis quística. Hipotiroidismo congénito. Miopatía de Duchenne. Transtorno bipolar. Esquizofrenia. Síndrome de Lesch Nyhan. Hidrocefalia. Microcefalia. Labio leporino. Ano imperfecto o imperforación. Espina bífida.

Tomaremos Tomaremos como como ejemplo de la terapia génica el el tratamiento de la inmunodeficiencia combinada combinada grave (SCID), una enfermedad mortal del sistema inmune causada por la falta de la enzima adenosina desaminasa (ADA). Los sujetos afectados normalmente mueren de infecciones leves. Los pacientes no tienen células B ni células T funcionales. En la Fig. 25, se esquematiza la forma en que se puede realizar la introducción del gen normal en pacientes de SCID.

H C E P C 48


Bacteria que contiene el plásmido con el gen ADA clonado humano

Retrovirus genéticamente discapacitado

el gen ADA clonado se incorpora en el virus

Las células genéticamante modificadas se reimplantan, y producen ADA el retrovirus infecta células sanguíneas, y transfiere el gen ADA a las células.

Se hace crecer a las células en cultivo para comprobar que el gen ADA es activo Figura 25. Terapia génica para el tratamiento de SCID.

2.5 Biotecnología El conocimiento de los genes no solo se limita a la medicina, sino también a la posibilidad de obtener plantas y animales trangénicos con fines comerciales. Las biotecnologías consisten en la utilización de bacterias, levaduras y células animales en cultivo para la fabricación de sustancias específicas. Permiten, gracias a 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 di sponibles en abundancia, gran número de sustancias y compuestos. Aplicadas a escala industrial, las biotecnologías constituyen la bioindustria, que comprende las actividades actividades de la industria química: síntesis de sustancias aromáticas saborizantes, materias plásticas, productos para la industria textil; en el campo energético, la producción de etanol, metanol, biogás e hidrógeno; en la biomineralurgia, la extracción de minerales. Además, en algunas actividades cumplen una función motriz esencial: la industria alimentaria (producción masiva de levaduras, algas y bacterias con miras al suministro de proteínas, aminoácidos, vitaminas y enzimas); producción agrícola (clonación 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 medio ambiente (tratamiento de aguas servidas, transformación de deshechos domésticos, degradación de residuos peligrosos y fabricación de compuestos biodegradables). Los procesos biotecnológicos más recientes se basan en las técnicas de recombinación genética descritas anteriormente.

H C E P C 49



A continuación se detallan las aplicaciones más comunes. a. Industria farmacéutica Obtención de proteínas de mamíferos: una serie de hormonas como la insulina, l a hormona del crecimiento, factores 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 flui dos corporales.

Promotor

Promotor

Gen β-gal

Gen β-gal

Subunidad A del gen de la insulina

Subunidad B del gen de la insulina

Gen de resistencia a un antibiótico

Gen de resistencia a un antibiótico

Transformación en E. coli como huésped

A

B

La proteína de fusión β- galactosidasa/insulina A se acumula en la célula

A

A

La proteína de fusión β- galactosidasa/insulina B se acumula en la célula

Extracción y purificación de las proteínas de fusión β-gal/insulina

Tratamiento con bromuro de cianógeno para cortar las cadenas A y B

B

B

Purificación y mezcla de las cadenas A y B para formar insulina funcional

Puentes disulfuro

A B Insulina activa

Figura 26. Producción de insulina en cultivos bacterianos.

En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorganismos adecuados para su fabricación comercial. Un ejemplo típico es la producción de insulina, que se obtiene a partir de la levadura Saccharomyces cerevisiae, en la cual se clona el gen de la insulina humana (Fig. 26).

H C E P C 50

Obtención de vacunas recombinantes: el sistema tradicional de obtención de vacunas a partir de microorganismos patógenos inactivos, puede comportar un riesgo potencial, por lo que muchas vacunas, como la de la hepatitis B, se obtienen actualmente por ingeniería genética. Como la mayoría de los factores antigénicos son proteínas, lo que se hace es clonar el gen de la proteína correspondiente.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Promotor vírico

EPSP sintetasa

Gen de fusión

Agrobacterium que contiene un plásmido Ti

Gen de fusión insertado en un Ti

Plámido Ti recombinante insertado en Agrobacterium

Agrobacterium tranfiere el plásmido Ti que lleva el gen EPSP de fusión a un cromosoma de la planta, resultando en un alto nivel de producción de EPSP sintetasa que hace que la célula sea resistente a glifosato.

Callos con el gen EPSP de fusión creciendo en un medio que contiene glifosato.

Las plantas regeneradas de los callos son resistentes a glifosato. H C E P C

Figura 27. Ingeniería genética para crear plantas resistentes al herbicida glifosato.

51



b. Agricultura

Mediante la ingeniería genética han podido modificarse las características de gran cantidad de plantas para hacerlas más útiles al hombre, son las llamadas plantas transgénicas. La primera planta obtenida mediante esta técnica fue un tipo de tomate. Sus frutos tardan en madurar algunas semanas después de haber sido cosechados. Entre las técnicas, cabe destacar la transformación de células mediada por Agrobacterium tumefaciens (Fig. 27). Esta bacteria puede considerarse como la primera ingeniera genética, por su particular mecanismo de acción: es capaz de modificar genéticamente la planta hospedera, de forma que permite su reproducción. Esta bacteria es una auténtica provocadora de un cáncer en la planta en la que se hospeda. Entre los principales caracteres que se han transferido a vegetales o se han ensayado en su transfección, merecen destacarse: • • • • •

Resistencia a herbicidas, insectos y enfermedades microbianas. Incremento del rendimiento fotosintético. Mejora en la calidad de los productos agrícolas. Síntesis de productos de interés comercial. Asimilación de nitrógeno atmosférico.

Actividades

H C E P C 52

1.

Investiga ejemplos de las modificaciones genéticas que se han realizado en vegetales.

2.

Investiga acerca de los animales transgénicos.



1.

Ácido nucleico: compuesto orgánico universalmente presente en los seres vivos y que se especializa en el almacenamiento y transmisión de la información genética.

2.

Anticodón: secuencia de tres nucleótidos (triplete) que se ubica en el ARNt y que se encarga de traducir los codones del ARNm en aminoácidos, para la formación de proteínas.

3.

Codón: secuencia de tres nucleótidos (triplete) que se ubica en el ARNm. Esta secuencia se encarga de determinar el aminoácido que formará parte de la proteína y su nombre de mensajero está en el sentido de que recibe la información desde el ADN por transcripción.

4.

Gen: unidad funcional de la herencia, que químicamente corresponde a un segmento del ácido desoxirribonucleico, y que codifica para una proteína específica.

5.

Replicación semiconservativa : forma de duplicación de la información genética que consiste en que las moléculas nuevas del ADN conservan la mitad de la información original (una hebra) y la otra mitad es nueva.

6.

Traducción: proceso a través del cual las distintas clases de ARN leen la información de un ARNm para determinar la secuencia de aminoácidos de una proteína.

7.

Transcripción: proceso de copia del ADN para producir ARN.

H C E P C 53

2


� l u t í p a C

W a M t s o o n d l y e C o r d e i c k

s e or g a n i z a e n b a s e a l . . . • • • b p g r a e u n s p e t o o n s i f a t r . o s o f g a e t n o a . d a .

• • • • • • D D f U h D A D o i p i i n o d s s á ar o b i r b t o m f ó ó a l l d n g e e e n e i a e h h t c é d r m n i s e e o b i e a o t b e d n . ar e d ar n e e .r u t c e a l o g l a s e n i t c r ó t a d o o o i t b p i m c d b i l o p o l s i l a r m e z a e a l h e p m e d e l l a e e a b n u t n . o ar p n t a o a d d r i r e e h p o 2 e u 3 b A e , 4 n r n - T a m t n . G e p m . s or d - . e C e . n l a c e s

s u f u n c i ó n . . .

C i T G A i d m u t e o a i n s n n i i i n n a a n a a p ar a e l A D N N . . . u c l e ó q t i p u e d o s ar c o a n e t l i e A n R e n N . . . . . . C U G A i d r u t a e o a c n s n i i i l i n n o n a a a

r i b A o s R o m N a l

i A n f or l m m a c a e c n i a ó n m i g e e n n t é o t i d c a e

Á t o m o

M o l é c u l a

A D N s e or g a n i z a e n b a s e a . . .

Á c i d o s n u c l e i c o s

N u c l e ó t i d o

B a s e n i t r o g e n a d a

G r u p o f o s f a t o

P e n t o s a

M a c r o m o l é c u l a

A R N O r g a n e l o

t i p o s . . .

t r a n A s f R e r N e n c i a

m e A n s R a N j e r o

E x pr e s i ó n d e l m e n s a j e g e n é t i c o

C é l u l a

T e j i d o

pr S í n o t e t e s í i n s a s d e

A s E H nE n t r z r o t i u m i m c c u o t a n u e r ar a s p s o s l

H C E P C

54

p ar a c u m p l i r f u n c i o n e s d e . . .

E s q u e m a d e s í n t e s i s

Capítul� 3 Sistem� nervio�




Conocer la organización del sistema nervioso humano.



Analizar la constitución del sistema nervioso.



Explicar el mecanismo de generación y transmisión del impulso nervioso.



Comprender la estructura y función de la médula espinal y el encéfalo.



Describir la estructura y función del globo ocular.



Analizar las estructuras del sistema muscular desde los puntos de vista histológico, anatómico, fisiológico y neurológico.



Comprender el mecanismo de ventilación pulmonar y su control nervioso.


Sistem� nervio�

Introducción Uno de los problemas que enfrentan los animales presenta dos aspectos. En primer lugar, la homeostasis exige la coordinación de las actividades de las numerosas células que constituyen el organismo, de modo que los tejidos y los órganos respondan a las necesidades fisiológicas generales, que cambian según las fluctuaciones del ambiente. En segundo lugar, como los animales son muy activos, reciben y procesan información externa, seguido por contracciones coordinadas y apropiadas de los músculos esqueléticos. En forma conjunta, los sistemas endocrino y ner vioso coordinan las funciones de todos los sistemas del cuerpo. El sistema endocrino es responsable de los cambios que ocurren durante un período relativamente largo, en cambio, el sistema nervioso tiene que ver con respuestas más rápidas. Sin embargo, cuanto más aprendemos de estos sistemas, más nos percatamos de que están íntimamente relacionados.

a. Medio interno y homeostasis A medida que la fisiología de sistemas avanza en el conocimiento de las diversas variables que controlan el normal funcionamiento del cuerpo, el concepto de homeostasis se va enriqueciendo en cuanto a su significado y extensión. Podemos entender la homeostasis como la condición en que una variable fisiológica oscila o fluctúa alrededor de un promedio (estado semejante), como es el caso de la glicemia (concentración plasmática de glucosa), que se mueve en el rango de 80 a 100 mg de glucosa por 100 mL de sangre, que según el momento del día −ayuno, después de las comidas−, tendrá variaciones que se consideran normales. Otro término que se define dentro de las condiciones que rigen a los organismos es el de isostasis, que se refiere a que la variable fisiológica en estudio es regulada de tal forma que se representa por una sola cifra, o sea, significa fijeza. Por ejemplo, la presión arterial, que tiene valores mucho más estables. Finalmente, existe también el término de heteroestasis, condición en que los valores de la función se encuentran por encima o por debajo de las cifras normales, es decir, hiperfunción o hipofunción. Este término de heteroestasis está más relacionado con la pérdida del equilibrio, por ejemplo, una hiperglicemia por diabetes, donde no se regula el nivel de normalidad. Por fortuna, nuestro organismo posee muchos sistemas reguladores que restablecen el equilibrio interno. Con frecuencia los sistemas endocrino y nervioso, en conjunto o por separado, aportan las medidas correctivas que se requieren cuando la homeostasis ha sido alterada. El sistema nervioso está relacionado con la regulación de las actividades musculares y secretoras, mientras que el segundo lo está con la regulación de las funciones metabólicas.

b. Sistemas de retroalimentación •

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Sistemas de retroalimentación negativa (feedback negativo): los principios de la retroalimentación negativa constituyen la base de la regulación homeostática de prácticamente todos los sistemas orgánicos, y corresponden a un mecanismo de respuesta en que los estímulos inician acciones que intervienen o aminoran el efecto del estímulo. Por ejemplo, pequeños cambios en la presión arterial activan mecanismos para restablecer los valores normales. Los barorreceptores (receptores de presión) detectan una disminución de la presión arterial, lo cual activa mecanismos coordinados que la elevan. Al retornar a la presión normal, los barorreceptores no perciben alteración alguna y los mecanismos previamente activados se interrumpen.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En sistemas endocrinos, la retroalimentación negativa significa que alguna característica de la acción hormonal inhibe la secreción adicional de hormona, de manera directa o indirecta. El resultado neto de cualquier modalidad de retroalimentación negativa es que, cuando la concentración de h ormona se percibe como elevada, se produce un freno en la secreción de la misma hormona. Al contrario, si la concentración de hormonas disminuye, se produce una estimulación para que el nivel se restablezca.

•

Sistemas de retroalimentación positiva (feedback positivo): un sistema de retroalimentación positiva tiende a fortalecer o reforzar un cambio en las condiciones controladas del cuerpo. Opera de manera semejante al de retroalimentación negativa, excepto en la manera en que la respuesta afecta la condición controlada: un estímulo altera la condición controlada, que es monitoreada por receptores, los cuales envían información hacia un centro de control que emite órdenes a un efector, pero esta vez el efector produce una respuesta fisiológica que refuerza el cambio inicial en la condición controlada. La acción del sistema de retroalimentación positiva prosigue hasta que la interrumpe algún mecanismo ajeno al mismo.

Tabla 1. Valores normales en plasma, suero o sangre. Valor normal promedio

Bicarbonato (HCO3-)

24

Intervalo

meq/L

22 – 26 meq/L

Calcio total

10 mg/ 100 mL

–

Calcio ionizado

5 mg/ 100 mL

–

Cloro

100 meq/ 100 mL

98 – 106 meq/ 100 mL

Creatinina

1.2 mg/ 100 mL

0.5 – 1.5

80 mg/ 100

70

Glucosa

mL

mg/ 100 mL

– 100 mg/ 100 mL

Hematocrito

0.45

0.4 – 0.5

Hemoglobina

15 g/ 100 mL

–

Ión hidrógeno (H+)

40 neq/L

En sangre arterial

Magnesio

0.9 mM/L

–

Osmolaridad

287 mosm/L

280 – 298 mosm/L

Saturación de O2

98%

96 – 100%

Presión de CO2 arterial

40 mmHg

–

Presión de CO2 venosa

46 mmHg

–

Presión de O 2 arterial

100 mmHg

–

Presión de O2 venosa

40 mmHg

–

pH arterial

7.4

7.37 – 7.42

pH venoso

7.37

–

Proteína total

7 g/ 100 mL

6 – 8 g/ 100 mL

Proteína albúmina

4.5 g/ 100 mL

–

Sodio

140 meq/L

–

Nitrógeno ureico

12 mg/ 100 mL

9 – 18 mg/ 100 mL

H C E P C 57


Sistem� nervio�

1. Sistema nervioso Todos los sistemas de órganos de nuestro cuerpo se encuentran interconectados por los sistemas integradores. Estos tienen bajo su responsabilidad la regulación, control y coordinación de todas las funciones orgánicas. Esta integración funcional está dada por dos sistemas altamente complejos: el sistema nervioso y el sistema endocrino. El sistema nervioso tiene a su cargo la función de integrar los distintos sistemas del organismo. Para esto, sus estructuras captan las variaciones de energía del medio ambiente externo e interno (estímulos), las analiza, las almacena en centros de memoria, las integra en centros nerviosos y elabora respuestas adecuadas que a través de estructuras nerviosas viajan hasta los órganos efectores. Para cumplir con estas funciones, el sistema nervioso cuenta con dos propiedades: • Excitabilidad: es una propiedad celular, especialmente de aquellos que constituyen los llamados tejidos excitables, que son el tejido muscular y las células nerviosas. Consiste en un cambio en la diferencia de potencial bioeléctrico que existe normalmente entre el espacio intracelular y el extracelular. •

Conductividad: es la capacidad de las células de propagar un cambio de potencial desde un punto de estimulación a todo lo largo de la membrana celular. Esta propiedad está altamente desarrollada en las células nerviosas.

a. Irritabilidad

Corresponde a la capacidad de un organismo de reconocer y reaccionar frente a un cambio del medio externo o interno, que puede afectar su bienestar o estado.

b. Adaptación

Corresponde a las respuestas particulares que genera un organismo como consecuencia homeostática de un cambio de medio externo o interno. El fenómeno biológico de la adaptación se fundamenta en una importante característica de los organismos vivos: la irritabilidad, la cual consiste en la capacidad de responder ante estímulos medioambientales en forma adecuada, rápida y precisa, permitiendo así la mantención constante del medio interno, aun en condiciones ambientales desfavorables. Esta capacidad está presente en todos los niveles de la escala evolutiva de los sistemas vivos. Las especies contemporáneas son aquellas en que han sido altamente eficaces la irritabilidad y la adaptación. A continuación, estudiaremos algunas formas de irritabilidad:

H C E P C 58

•

Tactismos: son respuestas frente a estímulos del medioambiente, propias de los animales inferiores, que consisten en movimientos de traslación, ya sea de acercamiento o alejamiento respecto del estímulo que las provocó. Si el movimiento se orienta hacia el estímulo, se denomina tactismo positivo; si se aleja del estímulo, se denomina tactismo negativo. Para identificarlos, se les antepone el nombre del tipo de estímulo que los provocó. Por ejemplo, la polilla se orienta hacia la luz: fototactismo positivo; la barata escapa de la luz: fototactismo negativo.

•

Reflejos: los animales superiores producen respuestas más complejas y elaboradas, pues cuentan con un conjunto de estructuras diseñadas para la percepción de estímulos tanto internos como externos, con sistemas de integración de variada complejidad, capaces de organizar una respuesta. Además, poseen estructuras ejecutoras de la respuesta que resulta adecuada al tipo y calidad del estímulo.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 2. Organización anatómica del sistema nervioso El sistema nervioso se compone de dos subsistemas principales: el Sistema Nervioso Central (SNC) y el Sistema Nervioso Periférico (SNP). El sistema nervioso central está constituido por el encéfalo y la médula espinal, los cuales integran y correlacionan muchos tipos distintos de información sensorial que llega a ellos. Además, el SNC es la fuente de pensamientos, emociones y recuerdos, así como de los impulsos nerviosos que estimulan la contracción muscular o las secreciones glandulares. El SNP, en cambio, consta de nervios (craneales y espinales), que conectan al SNC con el resto del cuerpo, y ganglios. Dentro de los nervios periféricos, hay axones de neuronas sensoriales que llevan información sensorial al SNC de todas las partes del cuerpo. Los nervios periféricos contienen, además, axones de neuronas motoras que llevan señales del SNC a los diferentes órganos y músculos. La porción motora del sistema nervioso periférico se subdivide en sistema nervioso somático (SNS) y sistema nervioso autónomo (SNA). Las neuronas motoras del sistema nervioso somático conducen impulsos sólo a los músculos esqueléticos, de manera que el control que ejerce este sistema es voluntario. Las neuronas motoras del sistema nervioso autónomo controlan las respuestas involuntarias. Hacen sinapsis con la musculatura del corazón, los músculos lisos y las glándulas. El SNA consta de dos divisiones: el S.N.Simpático y el S.N.Parasimpático. Las dos divisiones del SNA generalmente tienen contactos sinápticos con los mismos órganos, pero normalmente producen efectos antagónicos.

El sistema nervioso

Sistema nervioso central (SNC)

Sistema nervioso periférico (SNP)

(recibe y procesa información; inicia acciones)

(transmite señales entre el SNC y el resto del cuerpo)

Encéfalo

Médula espinal

Neuronas motoras

Neuronas sensoriales

(recibe y procesa información sensorial; inicia respuestas; almacena memorias; genera pensamientos y emociones)

(conduce señales del encéfalo; controla actividades reflejas)

(llevan señales del SNC que controlan las actividades de músculos y glándulas)

(llevan señales de los órganos sensoriales al SNC)

Sistema nervioso somático

Sistema nervioso autónomo

(controla movimientos voluntarios activando músculos esqueléticos)

(controla respuestas involuntarias influyendo en órganos, glándulas y músculos lisos)

División simpática

División parasimpática

(prepara al cuerpo para actividades tensas o enérgicas; lucha o huida)

(domina en momentos de “reposo y rumia”; dirige actividades de mantenimiento)

Figura 1. Organización del sistema nervioso.

H C E P C 59


Sistem� nervio�

3. Histología del sistema nervioso El sistema nervioso, a pesar de sus diferencias en cuanto a su organización y funciones, se encuentra constituido fundamentalmente por dos tipos de células: células gliales y neuronas. Estas células tienen un origen común en el tubo neural, que deriva embriológicamente del ectodermo.

3,1 Células gliales o neuroglías Las células gliales comprenden casi la mitad del volumen del SNC. En general, estas células son más pequeñas que las neuronas y, en contraste con ellas, no generan ni propagan potenciales de acción, pero sí pueden multiplicarse y dividirse en el sistema nervioso maduro. En caso de lesión o enfermedad, las células gliales se multiplican para llenar los espacios que ocupaban las neuronas. De los cinco tipos de células gliales, solo cuatro se hallan en el SNC (astrocitos, oligodendrocitos, microglía y células ependimarias), mientras que las células de Schwann se encuentran en el SNP. Tabla 2. Funciones de las células gliales. Tipo de células gliales Astrocitos

Microglía

Oligodendrocitos

Células ependimarias

Células de Schwann

Función

Forman una red de soporte del sistema nervioso central, unen neuronas a sus vasos sanguíneos, aportando nutrientes a las neuronas; captan el exceso de neurotransmisores; ayudan a formar la barrera hematoencefálica, entre otras funciones.

También se denominan macrófagos cerebrales. Derivan de los monocitos. Su función es fagocitar y destruir los microbios y detritus celulares. Pueden migrar al área de lesión del tejido nervioso. Dan soporte y forman un tejido conectivo semirrígido entre las neuronas del sistema nervioso central. Producen una vaina de mielina alrededor de los axones de las neuronas del sistema nervioso central. Forman una cubierta epitelial continua para los ventrículos del cerebro (espacios que forman y por donde circula el líquido cefalorraquídeo) y el conducto central de la médula espinal. Probablemente participen en la circulación del líquido cefalorraquídeo en estas áreas. Son células planas que rodean a los axones del SNP. Cada célula produce una parte de la vaina de mielina que rodea un axón de neuronas. Además, participan en la regeneración de axones del SNP.

En resumen, las células gliales cumplen diversas funciones, entre las cuales se cuentan: – Función nutritiva, pues actúan como intermediario del transporte de metabolitos entre capilares y neuronas. – Sostén mecánico. – Protección contra el daño físico o por sustancias tóxicas, a través de la barrera hematoencefálica. – Síntesis de la mielina que rodea los axones. – Síntesis y almacenaje de algunos metabolitos que nutren las neuronas. H C E P C 60


Sabías que...

Los científicos están reconsiderando el papel de las células gliales, ya que creen que podrían haber ignorado casi la mitad del cerebro. Según el neurobiólogo R. Douglas Fields se hace evidente que la glía contribuye al proceso de información en el cerebro detectando la descarga de las neuronas y comunicándose entre ellas para, a su vez, regular la actividad neuronal. Entre las numerosas funciones de la glia, según Fields, están las de regular la intensidad de las sinapsis. Pero la glia puede también detectar señales eléctricas de otras partes del cerebro. Estas señales, añade Fields, son particularmente importantes para regular el desarrollo glial en la vida fetal y postnatal temprana. Esto sería importante, en aquellos procesos como el desarrollo del sistema nervioso, la formación de las sinapsis, la migraña, la depresión, el aprendizaje y la memoria.

Oligodendrocito

Neurona

Astrocito

Capilar

Figura 2. Oligodendrocitos y astrocitos.

3.2 Neuronas 3.2.1 Características generales Es una célula altamente diferenciada (en la interfase del ciclo celular pasa de G1 a G0), tanto así que constituye parte de los llamados tejidos postmitóticos irreversibles, pues ha perdido su capacidad de regeneración por reproducción celular. Estas células presentan un alto metabolismo, lo que explica el gran número de mitocondrias presentes en el soma y en las prolongaciones. Además, el tejido nervioso presenta gran sensibilidad al déficit de O 2 y de glucosa. H C E P C 61


Sistem� nervio�

3.2.2 Estructura de una neurona

La mayoría de las neuronas tienen tres partes: cuerpo celular o soma neuronal, dendritas y axón o neurita. a. Cuerpo celular o soma neuronal Contiene un núcleo rodeado por el citoplasma, que incluye organelos, como lisosomas, mitocondrias, aparato de Golgi, así como grupos prominentes de retículo endoplasmático rugoso (RER), llamados corpúsculos de Nissl.

b. Dendritas Son prolongaciones del cuerpo neuronal. Por lo general, son cortas y muy ramificadas. Generalmente no están mielinizadas. Las dendritas se especializan en la recepción de información nerviosa hacia el soma.

c. Axón (neurita o cilindro eje) Es otra prolongación cilíndrica que se proyecta desde el cuerpo neuronal. Su citoplasma, denominado axoplasma, contiene mitocondrias, microtúbulos y neurofibrillas, pero carece de RER. La membrana plasmática del axón se conoce como axolema. El axón se divide en ramas terminales muy ramificadas (arborización terminal o telodendrón), cada una de las cuales finaliza en varias estructuras ensanchadas, conocidas como bulbos o botones sinápticos. En el interior de cada botón, se encuentran numerosos sacos diminutos, denominados vesículas sinápticas, los cuales almacenan un neurotransmisor químico. Estas sustancias químicas influyen en la actividad de otras neuronas, fibras musculares o glándulas. Los axones están encargados de transmitir los impulsos nerviosos hacia otras neuronas, fibras musculares o células glandulares.

Sabías que...

Durante mucho tiempo, se pensó que las neuronas liberaban un solo tipo de neurotransmisor en todos los botones sinápticos. Hoy se sabe que numerosas neuronas contienen dos e incluso tres tipos de neurotransmisores diferentes.

H C E P C 62

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Dendritas Axón Cuerpo celular Cuerpos de Nissl Nodo de Ranvier

Membrana de la célula de Schwann

Vaina de mielina de la célula de Schwann

Segmento inicial

Núcleo Nucléolo

Eminencia axónica Mitocondria

Neurofibrilla

Neurofibrilla

Núcleo de la célula de Schwann

Citoplasma

Vaina de mielina Citoplasma de la célula de Schwann Membrana de la célula de Schwann Núcleo de la célula de Schwann

Partes de una neurona motora

Nódulo de Ranvier

Axón: axoplasma Axolema

Cortes de un axón mielínico

dirección de propagación del impulso nervioso Terminales axónicas Bulbo terminal

Figura 3. Estructura de una neurona.

•

Tipos de axones: los axones de la mayoría de las neuronas se encuentran rodeados por una cubierta de lípidos y proteínas dispuesta en varias capas, conocida como vaina de mielina, de cuya producción se encargan las células gliales. Por lo tanto, los axones se pueden clasificar en dos tipos de fibras, según la ausencia o presencia de vaina de mielina: - Fibras amielínicas: son menos numerosas y de menor diámetro. Como se caracterizan por poseer escasa envoltura mielínica o carecer de ella, su velocidad de conducción de impulsos ner viosos es mucho menor. Son propias del sistema nervioso autónomo. - Fibras mielínicas: son más numerosas y de mayor diámetro. Se caracterizan por presentar vaina de mielina en su axón. Hay dos tipos de células gliales que producen vaina de mielina: las células de Schwann en el SNP y los oligodendrocitos en el SNC. Las células de Schwann empiezan a formar la vaina de mielina alrededor de los axones durante el desarrollo fetal. Cada una de estas células rodea casi 1 mm del axón, envolviéndose varias veces alrededor de este a modo de espiral. La porción formada por hasta 100 capas de la membrana plasmática de la célula de Schwann es la vaina de mielina, mientras que la capa citoplasmática externa con el núcleo de la célula de

H C E P C 63


Sistem� nervio�

Schwann es el neurolema. Este último se encuentra solo alrededor de los axones del SNP. Cuando se lesiona el axón, el neurolema participa en la regeneración de la zona lesionada. A intervalos, en toda la longitud del axón, existen interrupciones de la vaina de mielina, conocidos como nódulos de Ranvier.

Sabías que...

Las neuronas presentan gran diversidad de formas y tamaños.En el aspecto estructural, las neuronas se clasifican según el número de prolongaciones, de forma que encontramos: • Neuronas multipolares: presentan generalmente varias dendritas y un solo axón. Se encuentran en el encéfalo y en la médula espinal • Neuronas bipolares: presentan solo dos prolongaciones que nacen del cuerpo celular, una dendrita principal y un axón. Se localizan en la retina y oído interno, principalmente. • Neuronas unipolares (seudounipolares): presentan una sola prolongación que nace del cuerpo celular, la cual a corta distancia se divide en dos ramas. Una de estas ramas tiene función de dendrita y la otra, de axón. Estas neuronas están presentes generalmente en la rama sensitiva de los nervios raquídeos.

Dendritas Axón Cuerpo celular

Dendritas Cuerpo celular Axón

Unipolar

Axón

Bipolar (retina)

Seudounipolar (ganglio Multipolar de la raíz dorsal) (motora)

Dendritas Cuerpo celular

Axón Piramidal (hipocampo)

De Purkinje (cerebelo)

Figura 4. Tipos de neuronas.

H C E P C 64

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En el SNC, un oligodendrocito mieliniza partes de muchos axones, en forma muy sim ilar a la célula de Schwann. El oligodendrocito emite unas 15 prolongaciones anchas y planas, que forman la vaina de mielina a manera de espiral. Sin embargo, no hay neurolema, puesto que tanto el cuerpo celular como el núcleo del oligodendrocito no envuelven el axón. Tabla 3. Clasificació n de fibras nerviosas.

Grupo de fibras

Diámetro (µm)

Velocidad de conducción (m/seg)

Fibras tipo A: intensamente mielinizadas

1 – 20

15 – 20

Fibras tipo B: menos mielinizadas

1–3

3 – 15

Fibras de velocidad moderada: viscerales aferentes, preganglionares autónomas.

0,5 - 2

Fibras de baja velocidad: autónomas postganglionares, dolor crónico.

Fibras tipo C: No mielinizadas

0,5 – 1,5

Función Fibras de alta velocidad: dolor agudo, temperatura, tacto, presión, propiocepción, fibras somáticas eferentes.

Actividades

1. Completa las siguientes oraciones:

a. La integración funcional de los sistemas orgánicos está dada por _______________ y _______________. b. Las dos divisiones principales del sistema nervioso son el _______________ que se compone de _______________ y _______________ , y el _______________ que consiste en _______________ y _______________ . c. Las subdivisiones del SNA son el _______________ y _______________ . d. El SN somático tiene la función de _______________ , en cambio, el SN Autónomo tiene la función de ___________. e. Dos propiedades importantes de la célula nerviosa son _______________ y _______________ .

2. Nombra tres funciones de las células gliales.

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Sistem� nervio�

4. Fisiología neuronal La propiedad más importante de las neuronas es responder ante estímulos, generando una respuesta bioeléctrica que viaja a lo largo de toda la neurona. Los dos únicos tipos celulares que son excitables son la célula muscular y la neurona. A principios de los años cincuenta, ciertos biólogos usaron el calamar gigante para estudiar formas de registrar los sucesos eléctricos que tienen lugar dentro de neuronas individuales. Los investigadores descubrieron que las neuronas inactivas (no estimuladas) mantienen una diferencia de cargas eléctricas o potencial eléctrico constante, a través de su membrana plasmática, similar al que existe en los polos de una batería. Este potencial, llamado potencial de reposo, siempre es negativo dentro de la célula y positivo por fuera de ella.

4.1 Potencial de membrana en reposo El potencial de reposo se debe a una pequeña acumulación de iones con carga negativa en el citosol, a lo largo de la cara interna de la membrana, y a una acumulación similar de iones con carga positiva en el líquido extracelular, a lo largo de la superficie externa de la membrana. Se dice que una célula está polarizada cuando presenta potencial de membrana. El potencial de membrana se mantiene principalmente por dos factores: • Distribución desigual de iones a uno y otro lado de la membrana plasmática. • Permeabilidad relativa de la membrana a los iones Na + y K +. La carga negativa de la cara interna se debe a la presencia de aniones orgánicos (proteínas de membrana) e inorgánicos (sulfatos y fosfatos). La concentración de los iones potasio (K +) en el citoplasma de un axón es aproximadamente 30 veces superior a la del fluido externo; por el contrario, la concentración de iones sodio (Na+) y de cloro (Cl-) es unas 10 veces mayor en el fluido extracelular que en el citoplasma. Estos gradientes son mantenidos por bombeo de iones. La membrana plasmática de la neurona presenta bombas de Na+-K + (ATPasa Na+ y K +) que transportan de manera activa iones sodio hacia fuera de la célula e iones de potasio hacia adentro. Tanto los iones de Na + como los de K +, son bombeados contra su gradiente de concentración, por lo que estas bombas requieren de ATP. Por cada tres iones de Na+ que se extraen de la célula, se introducen dos de K +; así, se bombean hacia el exterior de la célula más iones positivos de los que se bombean hacia el interior. También hay flujo de iones a través de la membrana mediante difusión por proteínas de membrana que forman canales iónicos pasivos, presentándose un movimiento neto de iones de una zona de mayor a otra de menor concentración. Estos canales solo permiten el paso de tipos específicos de iones como el Na+, K +, Cl- y Ca2+. Los canales de potasio son el tipo más común de canal pasivo en la membrana plasmática. Las neuronas son más permeables al potasio que a otros tipos de iones. De hecho, en la neurona en reposo la membrana es hasta 100 veces más permeable a los iones de K + que a los de Na +.

H C E P C 66

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Conducto iónico de potasio abierto (proteína)

Conducto iónico de sodio abierto (proteína)

Líquido intersticial

Citoplasma

Figura 5. Canales de NA+ y K+.

Cuando iones de carga positiva se difunden fuera de la neurona, la célula adquiere carga negativa. La separación de cargas eléctricas positivas y negativas es una forma de energía potencial, que se mide en voltios o milivoltios.

Difusión hacia fuera

Difusión hacia dentro

Bomba de Na/K

Citoplasma neuronal

Figura 6. Distribución de iones a través de la membrana axonal.

Sabías que...

En las neuronas, el potencial de reposo varía de -40 a -90 mV (mili volt), siendo normalmente de -70 mV, donde el signo menos indica que el interior es negativo en relación con el exterior.

H C E P C 67


Sistem� nervio�

4.2 Potencial de acción o impulso nervioso Un potencial de acción o impulso nervioso es una secuencia de fenómenos que ocurren con rapidez, disminuyendo y, en última instancia, invirtiendo el potencial de membrana, para luego restaurarlo a su estado de reposo. Durante un potencial de acción, se abren y cierran dos tipos de canales iónicos activados por voltaje: los canales sensibles al voltaje para sodio y los canales sensibles al voltaje para potasio.

) V m ( a n a r b m e m e d l a i c n e t o P

+35 0

-55

Espiga n ó i c a z i r a l o p s e D

R e p o l a r i z a c i ó n

Nivel umbral Potencial de reposo

-70 Tiempo (milisegundos)

Cuando el axón se despolariza hasta -55 mV aproximadamente, se inicia el potencial de acción. Figura 7. Potencial de acción.

a. Despolarización

Un estímulo eléctrico, químico o mecánico, puede modificar el potencial de reposo de la neurona al incrementar la permeabilidad de la membrana al sodio. Por lo tanto, si el estímulo es suficiente, la membrana se vuelve permeable al ingreso de iones Na +, produciéndose la apertura de los canales sensibles al voltaje (este fenómeno se realiza a favor de su gradiente de concentración). El ingreso de sodio hacia el citoplasma neuronal determina un cambio en el valor del potencial de reposo, desde –70 mV hasta llegar a + 30 mV (según sea el caso), produciéndose una inversión en la polaridad de la membrana: el interior se vuelve positivo, mientras que el exterior, negativo. Este fenómeno se denomina despolarización. La onda de despolarización se propaga a lo largo del axón, lo que se conoce como impulso nervioso o potencial de acción.

b. Repolarización

Cuando el impulso nervioso ha recorrido unos pocos milímetros de axón, la membrana por sobre la que ha pasado comienza a repolarizarse. Esto ocurre debido a la apertura de los canales activados por voltaje para K +, los cuales permiten la salida de estos iones hacia el medio externo. Este flujo contrarresta el flujo previo de iones Na+ y el potencial de reposo se restablece rápidamente.

H C E P C 68

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� c. Hiperpolarización

La salida excesiva de iones de K + modifica el potencial de reposo normal y brevemente se vuelve más negativo, es decir, -70mV a -90 mV. Este fenómeno se conoce con el nombre de hiperpolarización. En este momento, la zona estimulada presenta una gran cantidad de cargas negativas en el lado interno y una gran cantidad de cargas positivas en el lado externo, lo que impide que la neurona vuelva a ser excitada, es decir, que genere un nuevo potencial de acción. La alteración de las concentraciones de Na+ - K + reactivan la bomba Na + - K +, la cual restablece el potencial de reposo normal de la neurona en el punto estimulado, sacando Na+ al exterior e ingresando K +.

Sabías que...

Se denomina período refractario (PR) al momento en el cual una neurona no puede generar otro potencial de acción. Esto ocurre durante el lapso de tiempo en el que la membrana restablece su polaridad inicial, así como las concentraciones de sodio y potasio. Existen dos tipos de períodos refractarios: P.R. absoluto y el P.R. relativo. Durante el período refractario absoluto, es imposible que se produzca un potencial de acción, incluso con un estímulo muy fuerte. Esto se debe a que los canales sensibles al voltaje para sodio están desactivados y no se pueden reabrir. Durante el período refractario relativo, se puede iniciar un segundo potencial de acción, solo frente a estímulos supraumbrales (mayor que el umbral). Este período coincide con la apertura de los canales sensibles al voltaje para K +, después de que los canales para Na+ inactivados han regresado a su estado de reposo.

4.3 Propagación del potencial de acción Una vez iniciado, el potencial de acción se autopropaga por la membrana neuronal. Dicho potencial es una corriente eléctrica de suficiente intensidad para inducir el colapso del potencial de reposo de la zona adyacente de la membrana. La despolarización de una zona hace que se abran los canales sensibles al voltaje adyacentes, permitiendo la entrada de iones de sodio en la zona. El proceso se repite como una reacción en cadena hasta que se alcanza el extremo del axón. De este modo, una onda de despolarización viaja a lo largo del axón a una velocidad y amplitud constante para cada tipo de neurona. Cuando el potencial de acción ha recorrido unos pocos milímetros de axón, la zona sobre la que ha pasado comienza a repolarizarse, gracias a la apertura de los canales sensibles al voltaje para potasio y al cierre de los canales para sodio. Esta salida de potasio provoca que la membrana presente un estado relativamente negativo en su interior, por lo que esta se repolariza. Por lo tanto, debe quedar claro que cuando la onda de despolarización viaja por la membrana de la neurona, tras ella se restablece con rapidez el estado de polarizado normal. Como consecuencia de este proceso de renovación, que se repite a lo largo del axón, el impulso nervioso se conduce a una distancia considerable sin disminuir en fuerza. H C E P C 69

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

Sabías que...

El potencial de acción puede ser bidireccional, en forma experimental, cuando se aplica un estímulo en la zona media del axón de una neurona en reposo absoluto. Pero normalmente es unidireccional, ya que el segmento situado detrás del potencial de acción nuevo se encuentra en un período refractario absoluto, lo que le impide retroceder. Así como también por el paso de la información de soma a axón.

4.4 Características del potencial de acción a. Umbral de excitación Este concepto se refiere a la intensidad mínima que debe tener un estímulo para ser capaz de generar un potencial de acción en la neurona. De acuerdo con esto, existen 3 clases de estímulos según su intensidad: •

Estímulo umbral: es un tipo de estímulo que presenta la intensidad mínima necesaria para generar un potencial de acción.

•

Estímulo subumbral (infraumbral): es un tipo de estímulo que tiene una intensidad menor al mínimo necesario y, por tanto, no es capaz de generar potencial de acción.

•

Estímulo supraumbral: es un tipo de estímulo que presenta una intensidad mayor al mínimo necesario y que es capaz de generar potencial de acción.

b. Ley del todo o nada Cualquier estímulo demasiado débil para despolarizar la neurona hasta el nivel de umbral es incapaz de activar la neurona. Apenas provoca una respuesta local que se disipa y extingue a pocos milímetros del punto de estímulo. Solo un estímulo lo suficientemente fuerte para despolarizar la neurona hasta su nivel umbral da por resultado la propagación de un impulso a lo largo del axón. Se dice que la neurona cumple la ley del todo o nada, porque transmite un potencial de acción o no lo transmite. No existe variación en la amplitud y duración de un impulso único, a pesar de que el estímulo sea supraumbral.

c. Factores que afectan la velocidad de conducción del impulso La velocidad del impulso nervioso es determinada por los siguientes factores: •

H C E P C 70

Presencia de vaina de mielina: en las neuronas que carecen de vaina de mielina, se habla de una conducción continua, porque el potencial de acción va despolarizando toda la membrana neuronal, en forma continua. Sin embargo, las neuronas con vaina de mielina presentan una conducción saltatoria. Esto se produce porque la vaina se comporta como un excelente aislante que reduce el flujo de iones a través de la membrana; debido a esto, los iones solo pueden fluir a través de los nódulos de Ranvier (lugar donde no se presenta vaina de mielina) y, por tanto, los potenciales se pueden producir solo en estos segmentos.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� La conducción saltatoria tiene valor por 2 razones: Al hacer que la despolarización se conduzca entre nódulos, el potencial de acción se hace más rápido. 2. Ahorra energía para la neurona, porque solo se despolarizan los nódulos. 1.

Zona del potencial de acción Sentido de la despolarización

Nódulos de Ranvier

(a) Inicio del impulso.

(a) (b)

(b) y (c) propagación saltatoria.

(c)

Figura 8. Conducción del impulso nervioso en una neurona mielinizada.

•

Diámetro del axón: los axones de diámetro grande conducen los impulsos con mayor rapidez que los de diámetro pequeño. Esto se debe a que un axón con diámetro grande opone menos resistencia al flujo de iones a través de él.

•

Temperatura: cuando las fibras nerviosas están a mayor temperatura conducen el impulso nervioso a mayor velocidad, en cambio, cuando están frías conducen el impulso a velocidad inferior. Por ejemplo, el dolor resultante de una lesión del tejido puede reducirse con la aplicación de frío. Este factor tiene relación con la energía cinética de las moléculas.

Actividades

1. Completa el siguiente cuadro con respecto a la concentración de iones en el medio extracelular e intracelular asociado a la membrana neuronal. Medio extracelular

Medio intracelular

Polarizada Repolarizada Hiperpolarizada 2. ¿Qué significa potencial de reposo? 3. ¿Cómo contribuyen los canales iónicos de voltaje, las bombas de sodio-potasio y los canales iónicos simples al potencial de reposo? 4. Explica brevemente la forma en que se lleva a cabo la generación y conducción de un impulso nervioso. 5. Esquematiza en un gráfico la ley del todo o nada, aplicando estímulos subumbral, umbral y supraumbral (gráfico potencial de membrana versus tiempo).

H C E P C 71


Sistem� nervio�

5. Sinapsis Una sinapsis es la unión entre dos neuronas o bien entre una neurona y un efector. Esto permite el paso del potencial de acción desde una célula nerviosa a otra o a un efector (tejido muscular o glándula). Las sinapsis son fundamentales para la homeostasis, dado que permiten filtrar e integrar la información. El aprendizaje depende de la modificación de la sinapsis. Ciertos impulsos se transmiten, mientras que otros se bloquean. Algunas enfermedades siquiátricas son el resultado de alteraciones en la comunicación sináptica. Las sinapsis también son el sitio de acción de muchas sustancias químicas terapéuticas y drogas. En la sinapsis entre neuronas, la neurona presináptica es la que transmite el impulso y la neurona postsináptica la que lo recibe. Existen 2 tipos de sinapsis:las sinapsis eléctricas y las sinapsis químicas.

5.1 Sinapsis eléctricas En una sinapsis eléctrica, las corrientes iónicas (impulsos nerviosos) se propagan en forma directa entre células adyacentes mediante uniones de abertura o nexos ( gap junctions). Cada una de estas uniones contiene un grupo de proteínas tubulares, conocidas como conexones, que forman conductos por los cuales se comunica el citosol de cada célula. Las sinapsis eléctricas permiten el paso de iones de una célula a otra, de modo que es posible la transmisión directa y rápida de un impulso nervioso entre una neurona y otra. Son escasas en el SNC, sin embargo, es posible encontrarlas entre las células musculares lisas, cardíacas y en los embriones en desarrollo.

5.2 Sinapsis químicas Son aquellas en donde la neurona libera sustancias químicas (los neurotransmisores), que van a producir en la estructura contigua cambios en su permeabilidad de membrana, lo que origi nará nuevos potenciales de acción. Las sinapsis químicas entre neuronas pueden ser: a) axo - dendríticas. b) axo - somáticas. c) axo - axónicas. Las sinapsis químicas tienen un rasgo sumamente importante: las señales se transmiten siempre en una sola dirección, o sea, desde la neurona que secreta el neurotransmisor o neurona presináptica, hacia la neurona sobre la que actúa el neurotransmisor o neurona postsináptica. Esto es la base de la conducción unidireccional y es fundamental para que el sistema nervioso realice sus funciones en forma específica.

H C E P C 72

5.3 Anatomía funcional de la sinapsis química Las terminales presinápticas o botones terminales están separadas de las neuronas postsinápticas por una hendidura sináptica.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Los impulsos nerviosos no pueden propagarse a través de la hendidura sináptica, por lo que ocurre una forma alterna e indirecta de comunicación en dicho espacio. La neurona presináptica libera un neurotransmisor, que difunde en la hendidura sináptica y actúa en receptores de la membrana de la neurona postsináptica, con lo cual se genera un potencial postsináptico, que es un tipo de potencial graduado. A continuación, se describirá la forma en la cual se transmiten los impulsos nerviosos a través de una sinapsis química: a) Llega un potencial de acción (PA) al botón sináptico. b) El PA abre los canales sensibles al voltaje para calcio (Ca2+), ingresando este ión al botón. c) El aumento en la concentración de Ca2+ en el interior del botón presináptico desencadena la exocitosis de las vesículas sinápticas. Esto genera la liberación de los neurotransmisores hacia el espacio o hendidura sináptica. d) Los neurotransmisores se difunden a través de la hendidura sináptica y se unen con los receptores de neurotransmisores en la membrana plasmática de la neurona postsináptica. e) La unión entre el receptor y el neurotransmisor genera la apertura de canales iónicos específicos, permitiendo el flujo de iones específicos a través de la membrana. f) De acuerdo con el tipo de iones que admiten los canales, el flujo iónico produce despolarización o hiperpolarización de la membrana postsináptica. Por ejemplo, la apertura de los canales de sodio genera despolarización, mientras que la apertura de canales para cloro y el influjo consecuente causa hiperpolarización. g) Si la despolarización alcanza el valor de umbral, se generan uno o más potenciales de acción. Las sinapsis químicas solo permiten la transmisión unidireccional de la información nerviosa. Ello se debe a que únicamente los botones terminales de la neurona presináptica pueden liberar neurotransmisores, mientras que solo la membrana de la neurona postsináptica posee las proteínas receptoras adecuadas para reconocer el neurotransmisor y unirse con él. En consecuencia, los potenciales de acción se transmiten sólo en una dirección. Ca2+ Terminal presináptica

Vesículas sinápticas Moléculas de neurotransmisor

+ Hendidura Na sináptica

Receptor

Membrana plasmática de la neurona postsináptica

Figura 9. Sinapsis química.

H C E P C 73


Sistem� nervio�

Sabías que...

Debido a que los neurotransmisores deben recorrer el espacio que separan las estructuras que conforman las sinapsis químicas, se produce un leve retraso en la propagación del impulso nervioso, fenómeno conocido como retardo sináptico. Debido a esto, las sinapsis químicas transmiten los impulsos nerviosos con menor rapidez que las eléctricas.

5.3.1 Potenciales postsinápticos excitatorios e inhibitorios Cuando los neurotransmisores se unen a los receptores, de manera directa o indirecta influyen en canales iónicos sensibles al voltaje. La redistribución resultante de iones cambia el potencial eléctrico de la membrana. Ésta se despolariza o bien se hiperpolariza, en cuyo caso el potencial de membrana se hace más negativo. Si es lo suficientemente intensa, una despolarización local puede establecer un potencial de acción. Cuando los neurotransmisores al combinarse con el receptor generan la apertura de canales de sodio, la entrada resultante de Na+ despolariza parcialmente la membrana. Este cambio en el potencial que acerca a la neurona al disparo de un impulso nervioso se denomina potencial postsináptico excitatorio (PPE). Aunque un solo PPE normalmente no inicia un impulso nervioso, la neurona postsináptica sí se vuelve más excitable. Esta despolarización parcial es más probable que alcance el umbral cuando ocurra el siguiente PPE. Esta propiedad se conoce como sumación, que significa que varios estímulos subumbral se suman hasta alcanzar el umbral de disparo, generando el potencial de acción. Neurotransmisor

Neurona postsináptica

Neurotransmisor

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Ca2+

Neurona presináptica Potencial de acción

Figura 10. Potencial postsináptico excitatorio. H C E P C 74

En contraste, un neurotransmisor que causa hiperpolarización de la membrana postsináptica es inhibitorio. Como dicho neurotransmisor aumenta el potencial de membrana al hacer más negativo su interior, se dificulta más la generación de un impulso nervioso. Este potencial de membrana inferior al umbral se denomina potencial postsináptico inhibitorio (PPI).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Los PPI son consecuencia de la apertura de canales de Cl- o K + sensibles al voltaje. Cuando se abren los canales de Cl-, los iones cloruro se difunden rápidamente al interior de la célula, mientras que al abrirse los de K +, estos difunden hacia el medio externo. Producto de ello, el interior de la neurona se torna altamente negativo (estado de hiperpolarización).

Neurotransmisor


Neurotransmisor

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Ca2+

Neurona presináptica Potencial de acción

Figura 11. Potencial postsináptico inhibitorio.

5.3.2 Retiro del neurotransmisor

El retiro del neurotransmisor es indispensable para el funcionamiento normal de la sinapsis. Si este permaneciera en la hendidura sináptica, influiría de manera indebida en la neurona postsináptica, en el músculo o en la célula glandular. Algunos neurotransmisores son desactivados por enzimas. Por ejemplo, el exceso de acetilcolina es degradado en sus componentes acetato y colina, gracias a la enzima acetilcolinesterasa. Otros neurotransmisores, como la amina noradrenalina, son transportados activamente de regreso (por transportadores de neurotransmisores) al interior de las terminales sinápticas, a través de un proceso conocido como recaptación. Estos neurotransmisores son reempacados en vesículas y reciclados.

Sabías que...

Sumación: liberación de neurotransmisores de varios bulbos terminales presinápticos al mismo tiempo, iniciando un efecto combinado de impulsos nerviosos. Sumación espacial: es el resultado de la acumulación de neurotransmisores de varios bulbos terminales presinápticos. Sumación temporal: acumulación de un neurotransmisor de un bulbo terminal presináptico donde se estimulan dos o más veces con más rapidez y sucesivamente.

H C E P C 75


Sistem� nervio�

5.4 Circuitos neuronales En el sistema nervioso existen billones de neuronas, pero no se encuentran dispuestas al azar, sino que están organizadas en patrones definidos que reciben el nombre de depósitos neuronales. Cada uno difiere del otro y tiene su propio papel en la homeostasis. Estos depósitos neuronales se disponen en circuitos neuronales sobre los cuales se conducen los impulsos. Los circuitos neuronales pueden ser: •

Circuito seriado simple: una neurona presináptica estimula a una única neurona y esta a otra. Es decir, el impulso se libera de una neurona a otra en sucesión como nuevos impulsos que se generan en cada sinapsis. Figura 12. Circuito divergente.

•

Circuito divergente: el impulso de una neurona presináptica sencilla causa la estimulación de un número creciente de neuronas a lo largo del circuito. De esta manera, los impulsos de una vía se liberan hacia otras vías de tal forma que la misma información viaja en varias direcciones al mismo tiempo (Fig. 12).

•

Circuito convergente: en un patrón de convergencia, la neurona postsináptica recibe los impulsos de varias fibras de la misma fuente. Aquí existe la posibilidad de una fuerte excitación o inhibición (Fig. 13).

Figura 13. Circuito convergente.

•

Circuito reverberante (oscilatorio): es un patrón en el cual los impulsos de la primera neurona estimulan a la segunda neurona; los de la segunda a la tercera neurona, y así sucesivamente. Sin embargo, las ramas de la segunda neurona y tercera neurona pueden hacer sinapsis con la primera, enviando los impulsos hacia atrás y permitiendo que el circuito se realice una y otra vez (Fig. 14).

Interneurona Colateral Axónica

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1

2

Figura 14. Circuito reverberante.

3

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5.5 Neurotransmisores

Son moléculas pequeñas de acción rápida formadas por las neuronas. Los ejemplos más importantes son acetilcolina, adrenalina, noradrenalina, dopamina, serotonina, sustancia P, glutamato, etc. Tabla 4. Efectos de algunos neurotransmisores. Neurotransmisor

Localización

Efecto

Acetilcolina:

Formado por acetato y colina.

Se encuentra en la corteza cerebral, núcleos de la base y sistema de activación reticular, vías visuales auditivas y tálamo. Además, es el neurotransmisor del SNA (está en las dos sinapsis del parasimpático). También participa en la placa motora.

Interviene en la contracción muscular, contrarresta la acción de la dopamina en los núcleos de la base, participa de la mantención de la vigilia.

Dopamina:

Es una catecolamina que se origina a partir del aminoácido tirosina.

Se localiza solo en el cerebro, mesencéfalo, tálamo y algunos núcleos de la base.

Interviene en la regulación de la función hipofisiaria y de respuestas emotivas, en el estado de vigilia y en mecanismos de placer. También participa en el control del movimiento motor voluntario y en la aptitud para aprender. Su falta produce mal de Parkinson.

Adrenalina: Es una

Se encuentra en una pequeña cantidad de sinapsis del SNC. Constituye también una neurohormona cuando pasa a la sangre vía médula suprarrenal. Actúa en las situaciones de estrés.

Tiene casi los mismos efectos que la noradrenalina, pero difiere en que tiene mayor efecto en la estimulación cardíaca, provoca débil constricción de los vasos sanguíneos musculares, aumenta las actividades metabólicas como son glucogenólisis hepática, muscular y liberación de glucosa a la sangre.

Se encuentra en neuronas del SNC, en núcleos de la base, hipotálamo, mesencéfalo, hipocampo y bulbo raquídeo.

Participa en la regulación del ciclo sueño - vigilia, en la disminución de la percepción dolorosa, en la regulación de la temperatura, entre otras.

Se encuentra en el sistema nervioso periférico y numerosas regiones cerebrales.

Es el principal neurotransmisor de las vías de dolor.

Participa en las sinapsis inhibitorias del SNC, en algunos núcleos de la base, corteza cerebral, retina, bulbo olfatorio, cerebelo y médula espinal.

Participa de la regulación inhibitoria de la actividad del sistema motor. Su presencia favorece la relajación.

Es una Se localiza en el SNC y participa en la mayoría catecolamina que se de las sinapsis del sistema nervioso simpático. sintetiza a partir del aminoácido tirosina. También denominada norepinefrina.

Interviene en la contracción del músculo liso vascular, aumenta la fuerza contráctil del corazón, favorece agregación plaquetaria, promueve la glicogenólisis y gluconeogénesis en el hígado, interviene en el ritmo de sueño y vigilia, y en el síndrome de alarma, entre otros.

catecolamina. También denominada epinefrina.

Serotonina: Es una amina

aromática sintetizada a partir del aminoácido triptofano. Sustancia P: Es un

péptido formado por 11 aminoácidos. G.A.B.A.

(Ácido-amino butírico): Se forma a partir del ácido glutámico en presencia de vitamina B . 6

Noradrenalina:

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3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

Sabías que...

Los anestésicos son sustancias que se administran para reducir la sensación de dolor produciendo así un estado denominado anestesia. Muchos anestésicos consiguen esos efectos inhibiendo la apertura de los canales de sodio y bloqueando así la iniciación y conducción del impulso nervioso.

Actividades 1.

a) b) c) d) 2.

Investiga qué acción tienen las siguientes drogas sobre la sinapsis:

LSD Psilocibina Anandamida Mescalina Observa el siguiente circuito neuronal. ¿En qué punto es posible registrar el paso del potencial de acción? Fundamente su respuesta.

C A

B

D

E

F

G

Estímulo

3.

¿Por qué razón la conducción del impulso nervioso a nivel sináptico es unidireccional? Explique.

4.

Define el concepto de analgésico y compare el rol de esta sustancia química con el rol de los anestésicos.

6. Organización del tejido nervioso en el SNC El tejido nervioso que compone el sistema nervioso central está compuesto por los siguientes elementos:

H C E P C 78

•

Sustancia gris: corresponde a la concentración de somas neuronales con porciones de axones no mielinizados.

•

Sustancia blanca: corresponde a axones, en su mayoría, mielinizados. Estos le dan su aspecto blanquecino clásico.

•

Núcleos: son acumulaciones de sustancia gris independientes (agrupaciones de somas) que constituyen importantes centros nerviosos. Se ubican en el espesor de la sustancia blanca en el SNC. Ejemplos: Núcleos de la base del cerebro, tálamo, formación reticular, hipotálamo.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� •

Ganglios: corresponden a una concentración de somas neuronales ubicados por fuera del S.N.C., por lo tanto, corresponden al S.N. Periférico. Ejemplos: ganglios raquídeos, ganglios autónomos simpáticos y parasimpáticos.

7. Morfología del sistema nervioso central 7.1 Médula espinal 7.1.1 Características anatómicas La médula espinal corresponde al primer nivel de i ntegración ubicado dentro del conducto vertebral. Esta estructura tiene la forma de un cilindro lig eramente aplanado en su parte anterior. En adultos, se extiende desde la base del encéfalo, a la altura de las vertebras cervicales (zona del bulbo raquídeo), hasta el borde superior de la segunda vértebra lumbar. Un corte transversal de la médula espinal revela que está formada por sustancia gris y sustancia blanca.La sustancia gris, ubicada en el centro, presenta la forma de una letra H. En su centro hay un pequeño conducto llamado canal del epéndimo. La rama horizontal de esta H es la comisura gris; las ramas anteriores se denominan astas anteriores, motoras o eferentes; y las posteriores, astas posteriores, sensitivas o aferentes. La sustancia blanca periférica se interrumpe en la cara anterior y posterior por los surcos medios anterior y posterior, respectivamente. Esto delimita la sustancia blanca en seis cordones: 2 cordones anteriores, que llevan vías descendentes motoras; 2 cordones laterales, que llevan vías descendentes y ascendentes; y 2 cordones posteriores, que llevan vías ascendentes sensitivas. La organización de la médula espinal en longitud tiene apariencia segmentada, debido a los 31 pares de nervios raquídeos que nacen de ella a intervalos regulares. Sin embargo, dentro de la propia médula no existe ninguna segmentación que separe las porciones de sustancia blanca o gris. Los nervios raquídeos o espinales, como están compuestos por fibras sensitivas y motoras, son considerados nervios mixtos. Cada nervio espinal se conecta con un segmento de la médula espinal mediante dos haces de axones conocidos como raíces. La raíz anterior o ventral contiene axones de neuronas motoras, que conducen impulsos nerviosos del SNC a los efectores. La raíz posterior o dorsal solo contiene fibras sensitivas, que conducen impulsos nerviosos desde la periferia hacia el SNC. Cada una de estas raíces posteriores también tiene una protuberancia, el ganglio de la raíz posterior o sensitivo, en el cual se encuentran los cuerpos celulares de las neuronas sensitivas.

H C E P C 79

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C Cisura posterior dorsal Conducto central Materia gris Materia blanca Dorsal

Ventral

(b)

(a)

Raíz ventral de un nervio raquídeo

Figura 15. Médula espinal.

Ojo con • El SNC se encuentra rodeado por 3 capas membranosas. En conjunto, reciben el nombre de meninges, las cuales son láminas de tejido conjuntivo cuya función es proteger la masa encefálica y medular tanto de compresiones como de traumatismos mayores. La más externa de estas capas es la duramadre; más adentro se encuentra la aracnoides; y, pegada a la masa encefálica y médula espinal, se ubica la piamadre. • El líquido cefalorraquídeo alcanza un volumen total de 100-150 mL. Se produce por un proceso de filtración en los plexos coroideos, ubicados en las paredes de los ventrículos cerebrales. Es de aspecto transparente y tiene las funciones de evitar roce entre SNC y estructuras vecinas, disminuir el peso del SNC (por estar sumergido en líquido) y proporcionar amortiguación mecánica.

7.1.2 Funciones

La médula espinal cumple con dos grandes funciones para mantener la homeostasis del organismo: es un medio para la integración de reflejos y una vía de transmisión de impulsos nerviosos. Los impulsos nerviosos sensitivos van de la periferia hacia el encéfalo y los motores, del encéfalo a la periferia. A continuación, estudiaremos ambas funciones. H C E P C 80

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� a. Función refleja

Un reflejo es una respuesta automática, involuntaria, previsible y rápida, que se genera en respuesta a los cambios del medio. Esta puede ser una contracción muscular o una secreción glandular. - Su finalidad es la protección del organismo frente a agresiones externas. - Los reflejos representan la forma más simple de conducta y su base estructural radica en el arco reflejo. El arco reflejo consiste en una serie de estructuras encadenadas, constituidas por un receptor, una vía aferente (sensitiva), un centro elaborador, una vía eferente (motora) y un efector (Fig. 16). • Receptores: son estructuras especializadas para captar las variaciones de distintos tipos de energía en el medioambiente. Tienen la propiedad de ser transductores, pues transforman variadas formas de energía en un solo tipo de potenciales de acción. •

Vía aferente: está dada por una neurona sensitiva cuya larga dendrita toma contacto con el receptor y cuyo axón toma contacto con el centro elaborador. El cuerpo de esta neurona se ubica en el ganglio sensitivo de la raíz posterior. Su rol es transmitir los impulsos nerviosos desde el receptor hasta el centro elaborador.

•

Centro elaborador: estructura nerviosa encargada de recibir los impulsos aferentes y elaborar una respuesta adecuada a la naturaleza del estímulo. En este nivel encontramos neuronas intercalares o de asociación, que además actúan como integradores de la respuesta. El centro elaborador envía impulsos a través de la neurona motora hasta el efector. La sustancia gris de la médula espinal y el tronco encefálico actúan como centros elaboradores.

•

Vía eferente: está constituida por neuronas motoras que llevan los potenciales de acción desde el centro elaborador hacia los efectores.

• Efectores: son las estructuras ejecutoras de la orden, respuesta enviada por el centro elaborador. Corresponden a músculos o glándulas, por lo tanto, la única modalidad de respuesta refleja es una contracción muscular o una secreción glandular. Algunos ejemplos de reflejos importantes son el reflejo postural, la mantención del tono muscular y el reflejo rotuliano.

Esencialmente podemos encontrar 2 tipos de arco reflejo: - Arco reflejo simple o reflejo monosináptico: es aquel que consta sólo de 2 neuronas: una neurona sensitiva que se conecta directamente, en la médula, con una neurona motora. Por ejemplo, el reflejo rotuliano.

Fibra aferente

Centro integrador Fibra eferente Efector Receptor

H C E P C 81

Figura 16. Arco reflejo simple.

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

- Arco reflejo complejo o arco reflejo polisináptico: la mayoría de los arcos reflejos son de este tipo. En este caso, la neurona sensitiva no sinapta directamente con la neurona motora, sino que lo hace previamente con una o más neuronas intercalares. Por ejemplo, el reflejo de flexión.

Sinapsis entre la neurona sensorial y la de asociación Cuerpo celular de la neurona sensorial

Neurona de asociación

Receptor

Músculo Neurona sensorial

Cuerpo celular de la neurona motora

Figura 17. Arco reflejo complejo. b. Función conductora de información •

Vías medulares: la

médula espinal actúa como vía de conducción de impulsos. Esto se realiza a través de los cordones de sustancia blanca. Gracias a ellos, la médula espinal es capaz de conducir hacia los centros superiores la información sensitiva (vías ascendentes) y, al mismo tiempo, traer la respuesta a tales estímulos desde el encéfalo hasta los distintos núcleos medulares (vías descendentes).

•

Vías ascendentes medulares: al

llegar la información sensitiva a la sustancia gris, se contacta con neuronas sensitivas secundarias, que llevarán esta información a los centros supramedulares (tronco encefálico, núcleos basales, corteza cerebral, etc.).

•

Vías descendentes medulares: desde el punto de vista

anatómico, estas vías se caracterizan por originarse a niveles supramedulares (corteza cerebral, cerebelo, núcleos basales). Desde el punto de vista funcional, estas vías traen a la médula estímulos de naturaleza motora. Algunos de ellos están altamente coordinados a situaciones conscientes, otros adecuados a la actividad motora en cuanto a fuerza, amplitud e intensidad de cada movimiento.

Actividades

1.

Investiga qué es un reflejo condicionado. ¿Qué lo diferencia de los reflejos mencionados?

2.

Si experimentalmente es seccionada la raíz motora de un nervio raquídeo, señala que sucederá con:

a) la sensibilidad de la región correspondiente, b) los reflejos correspondientes H C E P C 82

3.

¿Cómo se explica que los receptores puedan informar diversas intensidades de estímulo si los potenciales de acción producidos son todos semejantes en amplitud y duración?

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 7.2 Encéfalo Es la porción del SNC contenida en la caja craneana. Consta de cuatro partes principales: tronco encefálico, cerebelo, diencéfalo y cerebro.

7.2.1 Tronco encefálico Corresponde a un área intermedia entre la médula espinal y el cerebro. a. Bulbo raquídeo o médula oblonga

Está comprendido entre el límite superior de la médula espinal y el borde inferior de la protuberancia. En su mayor parte está constituido por sustancia blanca formada por haces de fibras nerviosas ascendentes y descendentes (por ejemplo, la vía motora piramidal descendente que se cruza hacia el lado corporal opuesto). Por otro lado, en su espesor se encuentran numerosos núcleos de sustancia gris que dan origen a los nervios craneanos. En el bulbo raquídeo, se encuentran algunos centros neurovegetativos que son vitales, como el centro del vómito, de la deglución, de la masticación, cardiovascular (que controla la frecuencia y la fuerza del latido cardíaco, así como el diámetro de los vasos sanguíneos) y respiratorio que ajusta el ritmo básico de la respiración.

b. Protuberancia anular o puente de Varolio

Se ubica entre el bulbo raquídeo y el mesencéfalo. En ella encontramos fibras ascendentes y descendentes y algunos núcleos grises que dan origen a nervios craneanos. También encontramos dos centros que participan en la regulación de la respiración: el centro neumotáxico y el centro apnéustico.

c. Mesencéfalo

Se encuentra por encima de la protuberancia, constituyendo los pilares o pedúnculos cerebrales, que no son más que un conjunto de haces ascendentes y descendentes de fibras nerviosas. También aquí encontramos algunos núcleos grises que cumplen la función de estación de relevo en la vía visual y en la vía acústica. En la parte posterior del mesencéfalo, nos encontramos con cuatro prominencias redondeadas, conocidas como tubérculos cuadrigéminos. Los superiores son centros reflejos, que regulan los movimientos de la cabeza y cuello en respuesta a estímulos visuales o de otro tipo, y los dos inferiores son centros reflejos para los movimientos de la cabeza y tronco en respuesta a estímulos auditivos.

d. Formación reticular

Se encuentra a todo lo largo del tronco. Corresponde a un conjunto de pequeñas áreas de sustancia gris entremezcladas con sustancia blanca. Su principal función es mantener la conciencia (vigilia) y generar el despertar del sueño, todo esto gracias a su función de gobernar el nivel de conciencia o estado de alerta del individuo. H C E P C 83

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

Tálamo Hipófisis

Cuarto ventrículo Mesencéfalo

Protuberancia

Bulbo raquídeo

Figura 18. Tronco encefálico.

7.2.2 Cerebelo Es la segunda parte más grande del encéfalo. Se ubica posterior al tronco encefálico y se comunica íntimamente con él a través de los pedúnculos cerebelosos. La sustancia gris se halla en la superficie externa (corteza cerebelosa), mientras que la sustancia blanca se localiza internamente. Sus funciones son: •

Regula el equilibrio estático y dinámico, función que es compartida con el aparato vestibular del oído interno.

•

Regula el tono muscular: según la postura y actividad que se esté realizando, el cerebelo aumentará el tono muscular (grado de semicontracción pasiva muscular), integrando la orden de la corteza cerebral con la información que llega desde los propioceptores.

•

Regula la coordinación motora: para que se realice un movimiento, los distintos grupos musculares deben actuar coordinadamente en intensidad de contracción y en la secuencia de tiempo en que ordenadamente se van contrayendo. Se puede decir que la precisión de todos nuestros movimientos, como pintar o enhebrar una aguja, se debe al cerebelo.

7.2.3 Diencéfalo El diencéfalo se sitúa entre el tronco encefálico y el cerebro, alrededor del tercer ventrículo.

H C E P C 84

•

Tálamo: es una formación par, ovoide, que constituye la principal estación de relevo para las sensaciones que llegan a la corteza cerebral. Además permite la percepción burda de algunas sensaciones, como las de dolor, temperatura y presión.

•

Hipotálamo: es una pequeña porción del diencéfalo que se localiza por debajo del tálamo. Está protegido parcialmente por la silla turca del hueso esfenoides.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Sus funciones están relacionadas con la supervivencia del organismo, de la especie, y con la integración emocional del comportamiento. Transducción de manifestaciones fisiológicas de los fenómenos psicológicos (somatización). 2. Controla el sistema nervioso autónomo. Esto se logra mediante axones de neuronas que viajan desde los núcleos hipotalámicos, hasta los núcleos simpáticos y parasimpáticos en el tallo cerebral y médula espinal. 3. Controla ciclos biológicos, muestra propiedades de ser un oscilador autorregulado. Por ejemplo, regula la ingesta de alimentos. 4. Regula los estados de hambre y saciedad. 5. Regula el equilibrio hídrico, debido a que presenta el centro de la sed. 6. Participa de reacciones emocionales fuertes. Se lo asocia a los sentimientos de agresión y rabia. 7. Controla la temperatura normal del cuerpo. Si la sangre que fluye por el hipotálamo, presenta una temperatura superior a la normal, este promueve, por ejemplo, la vasodilatación de los vasos sanguíneos y aumento de la pérdida de calor; por el contrario, si la temperatura de la sangre que pasa por el hipotálamo es inferior a la temperatura normal del cuerpo, el hipotálamo produce impulsos que generan vasoconstricción cutánea. 8. Es el principal intermediario entre el sistema nervioso y el sistema endocrino. El hipotálamo secreta hormonas que actúan sobre la glándula hipófisis y dos hormonas, la hormona antidiurética y la oxitocina, que son almacenadas en la neurohipófisis, entre otras funciones. 1.

7.2.4 Cerebro a. Características principales

Es el centro superior, por excelencia, del sistema nervioso. Es un órgano de aproximadamente 1.350 gramos de peso, de forma ovoide. Se encuentra dividido en dos hemisferios cerebrales, por una gran cisura que recorre su cara superior: la cisura interhemisférica. Sin embargo, esta división es incompleta, ya que, al separar los dos hemisferios y mirar al fondo de la cisura, podemos observar que existe una serie de estructuras que conectan ambos segmentos. Son las llamadas comisuras, de las cuales la más importante es el cuerpo calloso. En el cerebro la distribución de sustancia gris y sustancia blanca es a la inversa de la observada en la médula. La sustancia gris se dispone periféricamente, formando una capa delgada llamada corteza cerebral. La sustancia blanca forma casi todo el parénquima cerebral, y conecta la corteza con los otros núcleos grises ubicados en la base del cerebro. b. Corteza cerebral

Es una capa multineuronal compleja, que ha alcanzado su máximo grado de desarrollo en el ser humano. Sus múltiples capas neuronales se han ido desarrollando sucesivamente a lo largo del desarrollo filogenético o evolutivo. El aspecto de la superficie cerebral muestra un gran número de pliegues limitados por surcos y cisuras. Cada pliegue recibe el nombre de circunvolución cerebral. Los surcos más profundos, llamados cisuras, delimitan grandes áreas que contienen varias circunvoluciones, denominados lóbulos cerebrales, los cuales son 4 (frontal, parietal, temporal, occipital).

H C E P C 85


Sistem� nervio�

(a)

Área motora primaria Área LÓBULO FRONTAL premotora

Surco central LÓBULO PARIETAL

Área sensorial primaria Área de asociación sensorial

pierna tronco brazo

Funciones intelectuales superiores

mano

Área de asociación visual

rostro lengua Área auditiva primaria

Área motora del habla (Broca) Surco lateral

Área visual primaria

memoria

LÓBULO TEMPORAL

Comprensión y formación del lenguaje (Wernicke)

LÓBULO OCCIPITAL

Figura 19. Cerebro.

En el ser humano la corteza cerebral recibe toda la información sensitiva aferente y la hace consciente. Es el órgano que rige la conciencia, que gobierna la afectividad y también la función intelectual como el pensamiento, la capacidad de aprendizaje, la memoria, el lenguaje, los actos, etc. (funciones corticales superiores). Además, es la iniciadora de los movimientos voluntarios. • Áreas corticales: el cerebro no solo presenta un mapa anatómico, sino que también presenta una localización funcional que nos permite reconocer sus áreas. Las áreas corticales son de 3 tipos: - Sensoriales: reciben las aferencias sensitivas y las hacen conscientes. - Motoras: envían las órdenes motoras voluntarias. - De asociación: áreas corticales integradoras y coordinadoras que contactan áreas motoras y sensitivas. - Áreas sensoriales * Área somestésica o sensitiva general: se ubica en la zona detrás del surco central de la corteza. Esta área recibe las sensaciones generales: tacto, presión, calor, frío y propiocepción.

H C E P C 86

En esta área se encuentran representados todos los segmentos del cuerpo humano, donde la cantidad de área asignada es directamente proporcional al número de receptores sensoriales que hay en cada parte del cuerpo. Es tan exacto este mapeo (somatotopía) de la corteza somestésica que se habla del homúnculo sensitivo, es decir, la proyección o dibujo de un hombre, en el cual la proporción de sus segmentos corporales dice relación con la calidad y cantidad de información que envían sus receptores. Las zonas con mayor representación manifiestan mayor sensibilidad (Fig. 20). * Áreas sensoriales especiales: son aquellas áreas de la corteza en las cuales se procesa la información proveniente de cualquier órgano sensorial, que tienen sus receptores en regiones bien localizadas del cuerpo.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Estas áreas son:

Corteza motora

Área visual primaria: se ubica en el lóbulo occipital. Área auditiva primaria: se ubica en el lóbulo temporal. Área gustativa primaria: se encontraría en el lóbulo parietal.

Corteza sensorial

b. Corteza sensorial del hemisferio cerebral izquierdo

a. Corteza motora del hemisferio cerebral izquierdo

a. Corteza motora del hemisferio cerebral izquierdo

Área olfativa primaria: se encuentra en el lóbulo temporal. - Área motora primaria: se ubica en la circunvolución que está inmediatamente por delante del surco central, en el lóbulo frontal. En esta área se originan los impulsos nerviosos destinados a iniciar el movimiento voluntario. Tal como ocurre en el área somestésica, cada porción de esta área controla el movimiento de un segmento corporal. Obviamente, los segmentos del cuerpo encargados de la motilidad fina tendrán un mayor número de neuronas a su disposición y, por lo tanto, tendrán mayor representación cortical. Es tan exacto este plano de la corteza motora que se habla del homúnculo motor, es decir, la proyección o dibujo de un hombre, en el cual la proporción de sus segmentos corporales dice relación con la capacidad de movimiento de cada uno de sus músculos. Área premotora: está localizada inmediatamente por delante de la corteza motora primaria. La topografía de esta área es similar a la de la corteza motora primaria,

o r o a b c r e M C m n d o o o a r M u d H T C a ñ o

M e ñ n s i q o o A u d n e e u l D a M e r d i o

Í n di c e P u l g ar

e c a

Cara

l l o T o b i

Corteza cerebral (sustancia gris)

C

e P á rp a d o j a y g lo b o o c ul ar

l a l i d o R

Dedos

Cuerpo calloso Materia blanca

n Labios ó i c a z i l a c u a o e n g V L

Ventrículo (cavidad)

i ó n D e g l u c

b. Corteza sensorial del hemisferio cerebral izquierdo H o m b B r o a r

s o d e D

M e ñ i A n q u e

ul M e d a r i o Í n di c e P u l g ar Ojo Nariz Cara

Labio superior a Labio inf erior c o Dientes, encías, B

mandíbula

L e n g u a g e F a r in n o t n e r m e n i o d b A

M u C z o M ñ o d e a o c n o a

o c n o r T

a r e d a C

a n r e i P

l a l i d o R

Pie Corteza cerebral (sustancia gris)

Dedos Genitales

Cuerpo calloso Materia blanca Ventrículo (cavidad) H C E P C 87

Figura 20. Humúnculo motor (a) y sensorial (b).


Sistem� nervio�

con predominio de manos y cara. Las señales nerviosas originadas en esta área producen movimientos que comprometen a grupos de músculos que realizan tareas específicas aprendidas, como escribir. - Áreas de asociación: se distribuyen en la corteza cerebral y no ocupan áreas específicas. Conectan las áreas sensitivas y motoras entre sí, entregando todas las sensaciones y la motricidad en un solo y complejo panorama. * Área asociativa parieto-occipital temporal: recibe gran cantidad de información de las áreas sensitivas que la rodean. Esta área entrega información tanto de la posición de todas las partes del cuerpo en el espacio, como de sus alrededores. * Área de Wernicke: principal área de comprensión del lenguaje. Además, se relaciona con funciones intelectuales superiores. * Área de Broca o locución: inmediatamente por delante de la corteza motora primaria y por encima de la cisura de Silvio, es la que permite ejecutar los movimientos para pronunciar las palabras. Trabaja en estrecha relación con el área de Wernicke. * Núcleos grises de la base: son formaciones de sustancia gris ubicadas en la profundidad del cerebro. Aunque en algunos animales inferiores son de primordial importancia, en el ser humano se encuentran bajo la influencia de la corteza. Algunos de ellos constituyen importantes centros independientes de la vía motora voluntaria (piramidal) y son, por lo tanto, importantes en la regulación de movimientos automáticos. Por ejemplo, los núcleos caudado y lenticular participan en el control del tono muscular y movimientos automáticos, como caminar, andar en bicicleta, etc. Otro de los núcleos de la base es la sustancia negra, que sintetiza dopamina.

Rodilla cuerpo calloso Cabeza núcleo caudado Putamen Globo pálido lateral Núcleo Globo pálido medial lentiforme Claustro Tálamo Cola núcleo caudado

H C E P C 88

Figura 21. Corte horizontal del cerebro, donde se aprecian algunos núcleos de la base.


Sabías que...

La dislexia es la dificultad para interpretar o generar el lenguaje, especialmente el lenguaje escrito. Los disléxicos normalmente generan un pensamiento ordenado a partir del lenguaje hablado, pero tienen dificultades para hacerlo con el lenguaje escrito. La raíz del problema está en su modo imaginativo de afrontar inconscientemente la mayor parte de las situaciones de su vida y también el aprendizaje de la escritura. Esto produce una reacción peculiar, que denominamos desorientación y que va en contra del propio aprendizaje. Como la desorientación está asociada a una sintomatología muy variada, la dislexia es el trastorno de las mil caras. Sin embargo, ninguna parece ser resultado de un daño cerebral o neuronal, ni causada por una malformación en el cerebro, oído interno u ojos.

Actividades 1.

Mientras un neurocirujano le operaba el cerebro, el paciente le refirió sentir hormigueo en el brazo izquierdo y ver destellos luminosos. ¿Qué regiones corticales fueron estimuladas por el neurocirujano?

2. Nombra 4 centros nerviosos bulbares. 3.

¿Qué son los núcleos de la base y qué función cumplen?

4.

¿Qué función cumple la formación reticular? ¿Dónde se ubica?

5.

¿Qué le sucede a un sujeto si por traumatismo sufre daño de la circunvolución pre-rolándica a nivel del borde superior del cerebro?

8. Sistema nervioso periférico (SNP) Está formado por un conjunto de fibras nerviosas o nervios que se encargan de conectar el SNC con los receptores y los efectores, en los diferentes órganos corporales. El Sistema Nervioso Periférico (SNP) se divide funcionalmente en 2 sistemas: sistema nervioso voluntario o somático y sistema nervioso autónomo (SNA), neurovegetativo o visceral.

H C E P C 89


Sistem� nervio�

Tabla 5. Cuadro comparativo entre SNS y SNA. Cuadro comparativo Caracteres

Sistema Ner vioso Somático

Sistema Nervioso Autónomo

Control de los impulsos sensoriales

Control voluntario por la corteza cerebral, Control involuntario, dado por el hipotálamo, con participación de núcleos basales, tronco encefálico y médula espinal. cerebelo, tronco encefálico y médula espinal.

Vías de motoneuronas

Vía de una neurona: las motoneuronas Vía de dos neuronas: las neuronas hacen sinapsis directas con los efectores. preganglionares se originan en el sistema nervioso central y hacen sinapsis con neuronas postganglionares en un ganglio autónomo. A su vez, estas neuronas establecen sinapsis con los efectores viscerales.

Neurotransmisores

Todas las motoneuronas liberan acetilcolina. Las neuronas preganglionares liberan acetilcolina y las postganglionares liberan acetilcolina o noradrenalina.

Efectores

Músculos esqueléticos.

Sistema parasimpático

Músculo liso, músculo cardíaco y ciertas glándulas.

Sistema simpático

Ganglio simpático

Contrae la pupila

Dilata la pupila

Estimula la salivación

Inhibe la salivación

Reduce el latido cardiaco

Relaja los bronquios

Región cervical

Contrae los bronquios

Acelera el impulso cardíaco

Región torácica

Estimula la actividad digestiva

Región lumbar

Estimula la vesícula biliar Contrae la vejiga

Inhibe la actividad digestiva Estimula la liberación de glucosa por el hígado Secreción de adrenalina y norepinefrina por el riñón Relaja la vejiga

Relaja el recto

Contrae el recto Figura 22. Sistema nervioso simpático y parasimpático.

El SNA se divide en 2 subsistemas: a. Sistema nervioso simpático. b. Sistema nervioso parasimpático.

H C E P C 90

Los órganos que controla el SNA son inervados por ambos subsistemas. Ambos sistemas están formados por neuronas motoras, que actúan en forma coordinada, pero tienen efectos antagónicos (Fig. 22).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Tabla 6. Cuadro comparativo entre sistema nervioso simpático y parasimpático. S. N. Parasimpático

Distribución

S. N. Simpático

Sus fibras preganglionares nacen a nivel Sus fibras preganglionares nacen de la del tronco encefálico y a nivel de la médula espinal a nivel de los segmentos zona sacra de la médula espinal. torácicos y lumbares

Longitud de las fibras pre y postganglionares

La primera neurona posee un largo La fibra preganglionar es más corta que axón que llega hasta la vecindad de la la eferente o postganglionar. víscera o hasta la víscera misma donde se encuentra el ganglio parasimpático.

Tipo de neurotransmisor

El neurotransmisor utilizado por las El neurotransmisor usado en esta neuronas es acetilcolina. sinapsis es acetilcolina, en cambio, el usado en la segunda sinapsis de la vía (entre la segunda neurona y la víscera o efector) es el neurotransmisor llamado noradrenalina.

Acción sobre algunos efectores

Pupila: contracción (miosis). Corazón: disminuye la frecuencia cardíaca y la fuerza de contracción. Sistema digestivo: aumento de 3. la motilidad y tono; relajación de esfínteres. 4. Vejiga: contracción de la pared muscular; relajación del esfínter. 5. Órganos genitales masculinos: Erección del pene.

Pupila: dilatación (midriasis) Corazón: aumenta frecuencia cardíaca y la fuerza de contracción. Sistema digestivo: disminución de 3. la motilidad y tono; contracción de esfínteres. 4. Vejiga: relajación de la pared muscular; contracción del esfínter. 5. Órganos genitales masculinos: Eyaculación del semen.

1.

1.

2.

2.

9. Recepción sensorial Todas las sensaciones que percibimos las procesamos en regiones específicas del sistema nervioso, particularmente a nivel del cerebro. En su sentido más amplio, las sensaciones son el conocimiento consciente o subconsciente de estímulos internos o externos. La naturaleza de las sensaciones y el tipo de reacción generada varían según el destino final que los impulsos nerviosos con el contenido sensorial tengan en el SNC. En la médula espinal, los impulsos sensoriales son la porción aferente de los reflejos raquídeos. Los que llegan a la porción inferior del tronco encefálico producen reflejos más complejos, como los cambios en la frecuencia cardíaca o el ritmo respiratorio. Cuando los impulsos sensoriales alcanzan la corteza cerebral, es posible ubicar e identificar con precisión sensaciones específicas. Cada tipo específico de sensación se denomina modalidad sensitiva o sensorial, como la visión, el tacto, etc. Una neurona sensorial dada solo transmite información correspondiente a una modalidad. De esta manera, las vías sensitivas transportan sus señales hasta regiones específicas del SNC donde son generadas las sensaciones. Por ejemplo, las neuronas que llevan impulsos táctiles desde la piel transportan esta información hacia el área somestésica general de la corteza cerebral. Las diferentes modalidades sensoriales pueden agruparse en dos categorías: los sentidos generales y los especiales. H C E P C 91


Sistem� nervio�

•

Los sentidos generales abarcan los sentidos somáticos y los viscerales. Entre los somáticos se incluyen las sensaciones táctiles, térmicas, de dolor y propioceptivas, que permiten la percepción de las posiciones estáticas de las extremidades y otras partes corporales, así como los movimientos de la cabeza. Las sensaciones viscerales aportan información acerca del estado de los órganos internos.

•

Los sentidos especiales abarcan las modalidades de visión, olfato, gusto, audición y equilibrio.

Sabías que...

La percepción es el conocimiento consciente y la interpretación del significado de las sensaciones.

¿Cómo se generan las sensaciones? El proceso de las sensaciones se inicia con un receptor sensorial, el cual es una célula especializada o un conjunto de dendritas de una neurona sensorial, que está adaptada morfológicamente para la captación de estímulos en forma específica. Estos receptores transducen o convierten la energía del estímulo en señales eléctricas.

9.1 Características de los receptores •

Excitabilidad: son capaces de transformar los estímulos en potenciales de acción que son enviados, a través de neuronas sensitivas, a los centros nerviosos integradores.

Sabías que...

Las fibras preganglionares simpáticas llegan a la médula de la glándula suprarrenal y, al estimular sus células, se libera adrenalina. Esta es una neurohormona, que posee efectos similares a la noradrenalina amplificando la respuesta simpática. Este mecanismo se desarrolla ante situaciones de estrés.

H C E P C 92

•

Especifidad: es la capacidad de los receptores para responder a un solo tipo de estímulo. Independiente de su naturaleza, el estímulo debe tener una intensidad que le permita alcanzar el umbral específico de cada receptor. Con esa intensidad se genera un potencial de acción que es enviado al centro elaborador de respuestas.

•

Adaptación: al aplicar sostenidamente un estímulo, la respuesta alcanza un máximo, para luego disminuir en intensidad, e incluso llegar a su desaparición total. Por ejemplo, al vestirnos somos capaces de sentir el roce y la presión de la ropa por unos momentos. Posteriormente, aunque el estímulo sigue siendo el mismo, dejamos de sentirlo (excepto el dolor).


Sabías que...

Aunque los receptores por definición son específicos, vale decir, responden solo a un tipo determinado de estímulo, hay datos experimentales que indican que un mismo receptor puede responder a sensaciones diferentes (calor, tacto, presión), aunque obviamente funcionarán mejor con el estímulo específico.

Para que se produzca una sensación, deben ocurrir ciertos procesos, tales como: - Estimulación del receptor sensorial: cada tipo de estímulo es detectado por un tipo de receptor específico. - Transducción del estímulo: el receptor sensorial transduce o convierte un estímulo en un potencial graduado, o sea, en un cambio parcial en el potencial de membrana, el cual no se propaga. Esto se lleva a cabo gracias a la activación de canales iónicos. - Generación de impulsos: cuando un potencial g raduado de una neurona sensorial alcanza el valor umbral, se generan uno o más impulsos nerviosos, los cuales se propagan hacia el SNC. - Integración de los impulsos sensoriales: una región específica del SNC recibe e integra los impulsos sensoriales. Las sensaciones conscientes o percepciones se integran en la corteza cerebral. Es posible ver con los ojos o sentir dolor en una parte lesionada, porque los impulsos sensoriales llegan a una región específica de la corteza cerebral, que los interpreta como provenientes de los receptores sensoriales estimulados.

9.2 Clasificación de los receptores Tabla 7. Tipos de receptores. Tipos

Ubicación

Función

Ejemplos

Exteroceptores

Interoceptores

Propioceptores

Superficie externa del cuerpo o Profundidad del cuerpo. cerca de esta. En músculos, vasos sanguíneos, vísceras (especialmente las huecas) y sistema nervioso.

Se encuentran en músculos, tendones, articulaciones y oído interno.

Responder a cambios del ambiente externo. Con la ayuda de estos receptores un animal puede conocer y explorar el mundo, buscar alimento, reconocer a los de su especie, detectar enemigos, etc.

Responder a cambios del ambiente interno. Con la ayuda de estos receptores, nuestro cuerpo puede detectar cambios en el pH, la temperatura corporal, la composición química de la sangre, etc.

Otorgan información acerca de la posición de las extremidades, cabeza y otras partes corporales, así como de la orientación del cuerpo en su conjunto. Gracias a los propioceptores, una persona puede comer o vestirse, incluso, en la oscuridad.

Receptores para: • Frío. • Visión. • Calor. • Audición. • Tacto. • Olfato. • Presión.

Receptores de: • Vísceras. • Músculos. • Tendones. • Articulaciones.

Husos musculares y tendinosos de Golgi.

órganos

H C E P C 93

En este capítulo, solo estudiaremos la visión, una de las sensaciones más importantes de nuestro organismo.


Sistem� nervio�

10. Visión Es uno de los sentidos más complejos del ser humano y sus receptores se encuentran en el globo ocular.

10.1 Globo ocular u ojo El globo ocular es una cámara esférica similar a una cámara fotográfica con un si stema de lentes, un diafragma y una lámina fotosensible. El ojo es capaz de captar los estímulos luminosos ambientales y llevarlos en forma de potenciales de acción hasta el cerebro donde se forma la imagen. El ojo se ubica en la fosa orbitaria de la cara, la cual lo protege de eventuales traumatismos. También lo cubren dos pliegues de piel y músculo: los párpados, los que tienen insertas las pestañas cuyo fin es atrapar partículas pequeñas que intenten ingresar al ojo. La cara interna de los párpados y la superficie anterior del globo ocular se encuentran revestidas por una membrana transparente protectora llamada conjuntiva.

10.2 Anatomía de globo ocular a. Capas del globo ocular

Desde el punto de vista anatómico, la pared del globo ocular consta de tres capas concéntricas: la capa externa o túnica fibrosa, la capa media o úvea y la capa interna o retina (Fig. 24). •

Cono

Bastoncillo

Capa externa o túnica fibrosa: es la cubierta superficial y avascular del globo ocular. La parte anterior está formada por la córnea y la posterior, por la esclerótica.

La córnea es una cubierta transparente con forma convexa, que ayuda a enfocar la luz en la retina. La esclerótica corresponde a lo blanco del ojo. Es una cubierta curva, opaca y resistente, que cubre, protege y da forma al ojo.

Célula horizontal

Célula bipolar

Célula amacrina

•

Capa media o úvea: es la capa media más vascularizada del globo ocular y se compone de tres partes: coroides, cuerpo ciliar e iris. -

H C E P C 94

Coroides: recubre gran parte de la cara interna de la esclerótica. Contiene numerosos vasos sanguíneos y abundantes pigmentos. Los primeros cumplen la función de nutrición y los segundos absorben el exceso de luz, evitando que esta se refleje en el interior del ojo.

Célula ganglionar

Al nervio óptico Luz

Figura 23. Células de la porción neuronal de la retina.


•

-

Cuerpo ciliar: está formado por los procesos ciliares y el músculo ciliar. Los procesos ciliares secretan un líquido denominado humor acuoso y se unen con ligamentos suspensorios que los conectan con el cristalino. El músculo ciliar tiene por función modificar la forma del cristalino para adaptarlo a la visión cercana o lejana.

-

Iris: es la porción de color del ojo, la cual se halla suspendida entre la córnea y el cristalino. Está formada por músculos lisos circulares y radiales, cuya contracción y relajación regulan el tamaño de la pupila (orificio central del iris). De esa manera, se regula la cantidad de luz que llega al interior del ojo.

Capa interna: corresponde a la retina, la cual recubre las tres cuartas partes posteriores del ojo.

La retina está formada por un epitelio pigmentado (porción no visual) y la zona neuronal (porción visual). El epitelio pigmentado es una capa de células, ubicada entre la coroides y la capa neuronal; contiene un pigmento, llamado melanina, por lo que su rol es absorber la luz, impidiendo con ello la reflexión y dispersión de la luz en el ojo, tal como ocurre en el interior de una cámara fotográfica. La porción neuronal de la retina está formada por tres capas de neuronas: la capa fotorreceptora, la bipolar y la ganglionar. Otros dos tipos celulares de la retina son las células horizontales y las amacrinas, las cuales modifican los impulsos que se transmiten de las neuronas fotorreceptoras a las bipolares y ganglionares (Fig. 23). La capa fotorreceptora está formada por neuronas especializadas, conocidos como bastones y conos. Los bastones, que son los más abundantes, son responsables de la visión en oscuridad o penumbra gracias a un pigmento visual conocido como rodopsina. Se encuentran en toda la retina excepto en la región de la mácula lútea o mancha amarilla, ubicada en la porción posterior del ojo. Los conos son los responsables de la visión diurna y en colores, gracias a pigmentos especiales, sensibles al color rojo, azul y verde. Los conos se encuentran en mayor cantidad en la mácula lútea, disminuyendo su número hacia la periferia. La mácula lútea se localiza justo en el centro de la porción posterior de la retina en el eje central del ojo. La fóvea central, una pequeña depresión en el centro de la mácula, solo contiene conos, los cuales no están cubiertos por las capas de neuronas bipolares ni ganglionares, que hasta cierto punto dispersan la luz. Esto permite que la fóvea sea la zona de mayor agudeza o resolución visual. Es por ello que las personas mueven la cabeza cuando observan un objeto que les interesa y cuya imagen desean l levar a la fóvea. La información visual se transmite de las neuronas fotorreceptoras a las neuronas ganglionares de la misma retina, las que llevarán la información óptica a través de la vía visual hacia la corteza occipital cerebral. En la parte posterior de la retina, existe una zona conocida como punto ciego, que corresponde al lugar por donde salen los axones de las neuronas ganglionares, que en su conjunto forman el nervio óptico. Si sobre este punto cae la imagen de un objeto, no se produce percepción visual, ya que en esta zona, no hay conos ni bastones.

H C E P C 95

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

(a)

Globo ocular

(b)

Capas de la retina

Ligamentos

Esclerótica

Los axones de las células ganglionarias forman el nervio óptico

Coroides (Fotorreceptores) Bastones Conos

Iris Retina Fóvea

Humor vítreo

Pestaña luz

Vasos sanguíneos Cristalino

Pupila Córnea Humor acuoso

Nervio óptico

Músculo del cristalino

Punto ciego

Neuronas procesadoras de señales

Célula ganglionar

Discos de membrana con moléculas de fotopigmentación

Figura 24. Estructura del globo ocular y capas de la retina.

b. Estructuras internas del ojo Estructuralmente, el ojo está dividido por el cristalino en dos grandes compartimentos o cavidades: la cavidad anterior y la cavidad posterior (Fig. 24). •

La cavidad anterior se encuentra entre la córnea y el cristalino. Está llena de un líquido llamado humor acuoso, que se filtra continuamente de los capilares de los procesos ciliares, nutriendo al cristalino y a la córnea. Este líquido es el responsable de mantener estable la presión intraocular.

•

La cavidad posterior se encuentra entre el cristalino y la retina. Contiene un líquido gelatinoso y transparente conocido como humor vítreo, cuyas funciones son mantener la presión intraocular y conservar adosada la retina a la pared del ojo. A diferencia del humor acuoso, el humor vítreo no es objeto de reposición constante, se forma durante la vida embrionaria y no se sustituye en lo sucesivo.

El cristalino se encuentra justo en la zona posterior al iris. Está formado por fibras proteicas transparentes y se comporta como un lente biconvexo que enfoca los rayos luminosos en la retina para facilitar la visión cercana. Es mantenido en su posición gracias a los ligamentos suspensorios, insertos en los procesos ciliares. Estos modifican la forma del cristalino a través de un proceso conocido como acomodación (Fig. 24).

10.3 Formación de la imagen En ciertos aspectos, el ojo es como una cámara: su elemento óptico enfoca la imagen de un objeto sobre la película sensible a la luz, la retina y, al mismo tiempo, permite el paso de la cantidad adecuada de luz para lograr una exposición apropiada. Los procesos por los cuales se forma la imagen en la retina son:

10.3.1 Refracción de los rayos luminosos

H C E P C 96

Se sabe que la luz se propaga en forma rectilínea a través del aire. En el momento en que pasa de un medio a otro (por ejemplo, de aire a agua), el rayo se desvía debido a la diferente densidad del nuevo medio que le puede oponer una mayor o menor resistencia. Este fenómeno se llama refracción.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Este mismo principio se puede aplicar cuando la luz pasa a través de un vidrio o cualquier sustancia transparente. Si el rayo incide perpendicularmente sobre la nueva superficie, no será refractado; pero en la medida que se aproxime oblicuamente a esta superficie transparente, va a ser desviado cada vez más. Al entrar la luz, ocurre su refracción en diferentes estructuras transparentes de los ojos, tales como: •

es una curvatura que dota al ojo de un alto poder de convergencia. Tiene el mayor poder de refracción entre las estructuras oculares. Corresponde a la prolongación anterior de la esclerótica.

•

Humor acuoso: después

Córnea:

de la córnea, la luz cae en la cámara anterior del ojo, por lo que debe atravesar el

humor acuoso. •

posteriormente el rayo luminoso choca con el cristalino, el cual ajusta el foco de las imágenes y lo cambia según la distancia a la que se hallen los objetos. El cristalino puede acomodar su curvatura, al enfocar objetos que se encuentran a diferentes distancias. Para la visión cercana, su curvatura aumenta por la contracción de los músculos ciliares; para la visión lejana, el cristalino disminuye su curvatura debido a la relajación de los músculos ciliares. Este fenómeno se llama acomodación, y permite una visión nítida a cualquier distancia que se encuentre el objeto. La visión más clara se obtiene cuando la imagen se forma exactamente sobre la retina.

Cristalino:

Aunque la acomodación es un fenómeno bastante perfecto, tiene sus límites; por ejemplo, si se acerca mucho un objeto, finalmente se verá borroso por la imposibilidad del cristalino de seguir enfocando. •

Humor vítreo:

actúa como un medio transparente denso para desviar lo menos posible la luz.

A través de los procesos mencionados, se forma en la retina una imagen más pequeña e invertida que se transmite al cerebro a través de las vías visuales.

10.4 Fisiología de la visión Después de formarse la imagen en la retina, la luz debe atravesar las diversas capas de la retina, hasta llegar a los receptores fotosensibles (fotorreceptores) que se ubican casi al llegar a la coroides.

10.4.1 Bastones Son células de forma alargada, que requieren de bajas intensidades de luz para ser estimulados. Su función es proporcionar una visión en penumbras, en blanco y negro. No permiten una buena discriminación de los detalles. El primer paso en la transducción visual es la absorción de la luz por un fotopigmento. El único tipo de fotopigmento de los bastones es la rodopsina o púrpura visual. Este fotopigmento está formado por dos partes: una glucoproteína conocida como opsina o escotopsina y un derivado de la vitamina A, el retinal. Los fotopigmentos responden a la luz, a través del si guiente proceso cíclico: •

En la oscuridad, el retinal tiene forma plegada, llamada cis-retinal, que se acopla a la porción opsina del fotopigmento. Cuando el cis-retinal absorbe luz, cambia a un estado conocido como trans-retinal (forma recta). Esta conversión se llama isomerización y constituye el primer paso en la transducción visual. Estos cambios químicos llevan a la producción de un potencial graduado hiperpolarizante, que reduce la liberación de un neurotransmisor inhibidor conocido como glutamato. El resultado es la excitación de las

H C E P C 97


Sistem� nervio�

neuronas bipolares que hacen sinapsis con los bastones, al inactivarse la liberación de un neurotransmisor inhibitorio. • En un lapso aproximado de un minuto el trans-retinal se separa por completo de la opsina. El producto final es incoloro. Por esto, a esta parte del ciclo la denominan blanqueamiento del fotopigmento. • Luego la enzima retinal isomerasa convierte el trans-retinal a cis-retinal. • El cis-retinal puede unirse luego a la opsina, lo que reconstituye el fotopigmento funcional. Esta porción del ciclo, que comprende la resíntesis del fotopigmento, se denomina regeneración.

10.4.2 Conos Son el segundo tipo de receptores que existe en la retina. Tienen que ver con la visión de día: en colores, nítida y con percepción de detalles. Son estimulados en presencia de luz de alta intensidad. Existen tres clases de conos para los tres colores básicos: rojo, azul, verde. Cada tipo contiene un fotopigmento ligeramente distinto. Si bien la porción de retinal del pigmento es la misma que en la rodopsina, la proteína opsina difiere un poco en cada tipo de fotorreceptor. La visión cromática o en colores ocurre cuando los diferentes colores de la luz activan selectivamente los distintos fotopigmentos de los conos. La forma en la cual los conos responden a la luz presenta los mismos pasos de la reacción de los bastones a la luz. El resto de colores se obtiene mediante la estimulación simultánea, a diferentes intensidades, de los tipos básicos de conos.

10.4.3 Vía visual Como se sabe, la retina es una capa nerviosa que genera impulsos nerviosos. Es aquí donde comienza la vía óptica. Los conos y bastones, al liberar sus neurotransmisores sobre las neuronas bipolares, generan la despolarización de estas neuronas, que a su vez excitan las neuronas ganglionares, las cuales inician los impulsos nerviosos. Desde aquí, las prolongaciones de todas las neuronas ganglionares se unirán para formar el nervio óptico. El nervio óptico sale por la parte posterior de cada ojo y sus fibras confluyen en un entrecruzamiento llamado quiasma óptico, punto en el cual ocurre la decusación de algunas de sus fibras nerviosas; algunas de ellas cruzan hacia el lado opuesto, mientras otras no lo hacen. De la parte posterior del quiasma emergen las cintillas ópticas que terminan en el cuerpo geniculado lateral del tálamo. Ahí establecen sinapsis con neuronas, cuyos axones forman las radiaciones ópticas, que se proyectan hacia la corteza del lóbulo occipital o área visual (Fig. 25).

H C E P C 98


Núcleo geniculado lateral del tálamo Quiasma óptico Temporal CAMPO VISUAL Corteza visual primaria derecha

Nasal Nervios ópticos

Corteza visual primaria izquierda

Nasal CAMPO VISUAL Temporal

Cintilla óptica

Radiación óptica

Figura 25. Vía visual.

10.4.4 Campo visual Todo lo que se puede mirar con un ojo constituye su campo visual. Dado que en los seres humanos estos órganos están en la parte anterior de la cabeza, existe superposición considerable entre ambos campos visuales. De hecho, la visión en profundidad se debe al área considerable de sobreposición o campo visual binocular. El campo de un ojo se divide en dos partes, las mitades nasal o central y temporal o periférica. En cada ojo la luz de un objeto situado en la mitad nasal se proyecta en la mitad temporal de la retina y viceversa. Además, la información visual de la mitad derecha de cada campo se proyecta a la mitad izquierda y viceversa. Por lo tanto, la vía visual, tomando en cuenta ahora los campos visuales, se presenta de la siguiente manera: • • •

Los axones de todas las neuronas ganglionares de un ojo dan origen al nervio óptico del mismo nombre de ese lado. En el quiasma óptico, las fibras nerviosas de la mitad temporal de cada retina no se cruzan, sino que prosiguen directamente su trayecto al núcleo geniculado lateral del tálamo en el mismo lado. En contraste, las fibras nerviosas de la mitad nasal de cada retina presentan decusación a nivel del quiasma óptico antes de continuar su trayecto al tálamo (Fig. 25).

H C E P C 99


Sistem� nervio�

Actividades

1.

2.

Verdadero o Falso.

a) b) c) d)

____ ____ ____ ____

e)

____

f) g) h) i)

____ ____ ____ ____

La pérdida de la fuerza muscular se debe a una alteración del cerebelo. La neurona se puede depolarizar solo a nivel de la dendrita. La transmisión sináptica es más lenta que la conducción de un potencial de acción. Si experimentalmente se lesiona la fóvea o mancha amarilla, se produce la pérdida de la acomodación ocular. Las fibras de la protuberancia anular tienen importancia en la coordinación motora que realiza el cerebelo. Las meninges son membranas de tejido conjuntivo que se encuentran solo en el cráneo. El sistema endocrino es integrador de la función corporal. El sistema simpático usa el neurotransmisor acetilcolina en la primera sinapsis de la vía. El sistema simpático es noradrenérgico y el parasimpático es colinérgico en sus acciones respectivas.

Si pasas desde una pieza iluminada a otra oscura, con mucha dificultad podrás localizar objetos en el recinto sin luz; pero después de un momento los objetos paulatinamente se hacen visibles. ¿Cómo explicarías este fenómeno?

11. Efectores El sistema nervioso es capaz de elaborar respuestas frente a los cambios ambientales. Estas respuestas son ejecutadas por estructuras especializadas llamadas efectores. Las células de los efectores son también células excitables que, ante la llegada de un potencial de acción por la neurona motora, recibirán los efectos de una sinapsis química. Los órganos efectores son músculos y glándulas. En este capítulo solo estudiaremos el funcionamiento de los músculos. El tejido muscular constituye entre el 40 a 50 por ciento del peso total del cuerpo y cumple con las siguientes funciones: Movimientos (reflejos y movimientos voluntarios). 2. Mantención de la postura corporal. 3. Producción de calor. 1.

11.1 Características de los músculos • Excitabilidad: capacidad del tejido muscular de responder a los estímulos. • Contractilidad: capacidad del tejido muscular de generar de manera activa la fuerza que pueda contraer a la fibra, cuando el estímulo es suficiente (cambian su longitud). • Elasticidad: capacidad del tejido muscular para recuperar su forma y longitud original después de la contracción o extensión. H C E P C 100

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 11.2 Tipos de músculos Tabla 8. Tipos de músculos. Musculatura esquelética

Musculatura lisa

Musculatura cardíaca

Unido al esqueleto.

Paredes del estómago, intestinos, etc.

Paredes del corazón.

Voluntario, dado por el SNC.

Involuntario, dado por el SNA. Involuntario, dado por el SNA.

Forma celular

Células alargadas, cilíndricas y polinucleadas.

Células alargadas y fusiformes, con núcleo único.

Formas cilíndricas alargadas que se ramifican y fusionan.

Estrías

Presentes.

Ausentes.

Presentes.

Rapidez de la contracción

Rápida.

Lenta.

Intermedia.

Localización Tipo de control

Célula muscular cardíaca

Célula muscular esquelética

Célula muscular lisa

Figura 26. Tipos de células musculares.

H C E P C 101


Sistem� nervio�

11.3 El músculo esquelético Para comprender mejor el funcionamiento muscular, estudiaremos el músculo esquelético o voluntario.

Fibras musculares

Músculo bíceps (b)

(a)

Mitocondrias Membrana plasmática Retículo sarcoplasmático

Núcleo

Túbulo T

Miofibrillas

Línea Z Miofilamentos

Sarcómera

(c)

Figura 27. Músculo esquelético.

En los vertebrados, cada músculo esquelético puede considerarse un órgano (Fig. 27a). Sus fibras alargadas, denominadas fibras musculares, se organizan en haces, llamados fascículos (Fig. 27b), envueltos en tejido conectivo. Cada fibra de músculo esquelético es una larga célula cilíndrica con muchos núcleos (Fig. 27c). La membrana plasmática, denominada sarcolema en el caso de la fibra muscular, presenta múltiples extensiones hacia el interior de la fibra que forman un conjunto de túbulos, conocidos como túbulos transversos (túbulos T). El citoplasma se denomina sarcoplasma y su retículo endoplasmático liso, retículo sarcoplásmico. Cada una de estas fibras contiene miofibrillas que corren a todo lo largo de la fibra muscular. Estas se hallan constituidas por estructuras muy pequeñas, los miofilamentos, los cuales son de dos tipos: filamentos de miosina y de actina (Fig. 27). Los miofilamentos de miosina son gruesos. Cada filamento grueso consta de unas 300 moléculas de una proteína llamada miosina, conformadas a modo de palos de golf enrollados entre sí. Las colas de las moléculas de miosina adyacentes están dispuestas en paralelo y forman el cuerpo del filamento grueso. Las dos proyecciones de cada molécula de miosina se denominan cabezas de miosina o puentes cruzados, las cuales presentan sitios de unión para actina y sitios de unión para ATP.

H C E P C

Los miofilamentos delgados se extienden desde los puntos de anclaje en las líneas Z (Fig. 27). Su componente principal es la proteína actina; en cada molécula de actina hay un sitio de unión a miosina donde puede insertarse una cabeza de esta proteína. También contienen las proteínas troponina (que presenta sitios de unión para calcio) y tropomiosina. En los músculos relajados, la miosina no puede unirse a la actina, porque la tropomiosina bloquea el sitio de inserción. A su vez, la tropomiosina se mantiene en su sitio gracias a la troponina.

102

Estos miofilamentos están ordenados en compartimentos llamados sarcómeros, que son las unidades básicas de la contracción muscular.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Cada sarcómero consiste en filamentos de miosina y actina que se superponen longitudinalmente en l as fibras musculares, formando un patrón de bandas transversales o estrías característico del músculo estriado (Fig. 28b). Los sarcómeros están unidos en sus extremos por un entrelazamiento de filamentos, denominados línea Z. Cientos de sarcómeros conectados extremo con extremo constituyen una miofibrilla. a) Corte transversal de una fibra

b) Miofibrilla y sarcómero

túbulos T Retículo sarcoplásmico

Línea Z

Filamento delgado

Línea Z

Miofibrilla

Filamento grueso Membrana de la fibra celular Paquete de miofilamentos gruesos y delgados

Figura 28. Fibra muscular. Detalle de miofibrilla y sarcómero.

11.3.1 Unidad motora y unión neuromuscular La unidad funcional de los músculos de los vertebrados es la unidad motora, la que está formada por una sola neurona y el grupo de células musculares inervadas por su axón, las cuales se contraerán cuando se transmita un estímulo por la neurona motora. En tanto la unión neuromuscular se refiere a la sinapsis del axón de una neurona motora y una fibra muscular. En la unión neuromuscular, el axón de la neurona motora se divide en diversos botones sinápticos. Dentro del citosol de cada uno, se encuentran cientos de vesículas sinápticas, cada una llena de moléculas de acetilcolina, el neurotransmisor que se libera en la unión neuromuscular. El punto de contacto entre la neurona motora y el sarcolema de la fibra muscular se denomina placa motora terminal (Fig. 29a). Si una unidad motora es aislada y estimulada con breves descargas eléctricas de creciente intensidad, no habrá respuesta hasta que se alcance cierta intensidad umbral (ley del todo o nada). En contraste, el músculo entero, compuesto de muchas unidades motoras individuales, puede responder en forma graduada según el número de unidades motoras que se contraen en un determinado tiempo. b)

a)

Potencial de acción

Terminales de la neurona motora

Neurona motora

Terminales sinápticas Neurona motora

r a l u c s u m a r b i F

Fibra muscular

Vesículas sinápticas

H C E P C 103

Filamentos gruesos y delgados

Pliegue de la membrana de la fibra muscular

Figura 29. Unión neuromuscular.


Sistem� nervio�

11.3.2 Fisiología de la contracción muscular La contracción muscular ocurre cuando los sarcómeros y, por lo tanto, las fibras musculares, se acortan. Este acortamiento se verifica cuando los filamentos de actina y miosina se deslizan uno sobre otro, incrementando su superposición.

Filamentos

Puentes transversales Actina (filamento delMiosina gado) (filamento grueso) a)

b) Sarcómera Banda A

Banda I

Línea Z Zona H

c)

Puentes transversales

Filamentos de actina (delgado) Filamentos de miosina (grueso)

d)

e)

Figura 30. Contracción muscular.

De acuerdo con la Teoría de Huxley ( 1958), existe una interdigitación entre los filamentos de actina y miosina a modo de puentes cruzados. Este dispositivo actuaría como cremallera, en el cual los puentes, al ir cambiando de sitio en sitio, impulsarían las moléculas de actina. Para que se produzca la contracción muscular, es necesario que el potencial de acción penetre profundamente al músculo. Esta penetración se efectúa a través de los túbulos T (transversales). Estos túbulos T penetran a través de las fibras musculares, cruzando las miofibrillas justamente en aquellos puntos en que los filamentos de actina y miosina se entrecruzan. Los túbulos T son invaginaciones de la membrana de la célula muscular.

H C E P C 104

Cada vez que el potencial de acción difunde a través de los túbulos T, se liberan iones calcio desde el retículo sarcoplásmico hacia las vecindades de las miofibrillas. Estos iones se enlazan directa y fuertemente con la troponina y hacen que los complejos troponina-tropomiosina se alejen de los sitios donde la miosina se une a la actina. Una vez “libres” estos sitios, se inicia el ciclo de contracción.


Ciclo de contracción muscular

- Cuando una neurona motora transmite un impulso nervioso, libera al neurotransmisor acetilcolina en la hendidura sináptica. - La acetilcolina se une a receptores de cada fibra muscular, produciendo la apertura de canales iónicos, que permiten que ingresen a través de la membrana iones pequeños entre los que resalta el Na+. - El ingreso de Na+ modifica el potencial de membrana y dispara el potencial de acción muscular, que a continuación se propaga por el sarcolema y el sistema de túbulos T. - El efecto de la acetilcolina dura muy poco, dado que este neurotransmisor es eliminado rápidamente por la acción de la enzima acetilcolinesterasa. Ello da fin a l a generación de potenciales de acción muscular. - Al propagarse el potencial de acción muscular a través del sarcolema a los túbulos T, se abren los canales de liberación de calcio en la membrana del retículo sarcoplásmico. Como resultado, los iones de calcio salen al citosol, alrededor de los filamentos gruesos y delgados. - Los iones de calcio se combinan con la troponina y hacen que modifiquen su forma. Este cambio de conformación ocasiona que el complejo troponina-tropomiosina se aleje de los sitios de unión de miosina en la actina, que entonces quedan expuestos (Fig. 31). - La cabeza de miosina contiene una zona de unión al ATP y una enzima (adenosintrifosfatasa) que degrada al ATP en ADP (adenosín difosfato) y fosfato. Esta reacción de degradación le confiere energía a la cabeza de miosina (debemos tener en claro que los productos de la hidrólisis del ATP todavía se hallan unidos a la cabeza de miosina). - La cabeza de miosina energizada se enlaza a sus sitios de unión en la actina y luego li bera el grupo fosfato y el ADP, desencadenándose la fase de deslizamiento, haciendo que la miosina experimente un cambio de conformación y provocando que la cabeza de miosina gire (Fig. 31). - Al girar, la cabeza de miosina genera una fuerza, que tira del filamento de actina hacia el centro del sarcómero, con lo cual se desliza el filamento delgado sobre el grueso (Fig. 30). - Al término de la fase de deslizamiento, la cabeza de miosina permanece firmemente unida a la actina, hasta que se enlaza con otra molécula de ATP, la cual se adhiere a la cabeza de miosina. Así esta se separa de la actina (Fig. 31). - El ciclo de contracción se repite cuando la enzima adenosintrifosfatasa de la miosina degrada de nuevo al ATP. Esta reacción reorienta la cabeza de miosina y transfiere energía del ATP a dicha cabeza, que de nuevo está lista para combinarse con otro sitio receptor de miosina en un punto más distal del filamento delgado. El ciclo de contracción se repite una y otra vez, siempre y cuando haya ATP disponible y los niveles de calcio sean suficientemente altos cerca del filamento delgado. El movimiento continuo de las cabezas de miosina aplica la fuerza que acerca entre sí a las líneas Z, con lo que se acerca el sarcómero. De esta manera, se contraen las miofibrillas y se acorta la fibra muscular (Fig. 30). Después de la contracción, las fibras musculares vuelven a su estado de reposo. La acetilcolina presente en la hendidura sináptica es desactivada por la enzima acetilcolinesterasa. Entonces se bombean los iones de calcio de regreso al interior del retículo sarcoplásmico por transporte activo. Sin iones de calcio, los sitios activos en los filamentos de actina vuelven a estar cubiertos por el complejo troponina-tropomiosina. Los filamentos de actina se deslizan de regreso a su posición inicial, y ocurre la relajación del músculo.

H C E P C 105

3

Sistem� nervio�

� l u t í p a C

1. La

acetilcolina liberada por la neurona motora se combina con receptores en la fibra muscular, causando la despolarización e induciendo un potencial de acción.

2. El

impulso se dispersa por los túbulos T, estimulando la liberación de Ca2+ a partir del retículo sarcoplásmico.

Sitio de unión de ATP

Filamento de miosina

Tropomiosina Filamento de actina

Troponina Sitio activo Ca2+ se une a la troponina, lo cual hace que ésta cambie de forma. La troponina desplaza a la tropomiosina, exponiendo los sitios activos en los filamentos de actina. 3. El

7. El

complejo actina-miosina se une a ATP y la miosina se desprende de la actina.

4. El

ATP se desdobla. La cabeza de miosina, ya “en posición alerta”, se une al sitio activo expuesto, formando un puente transversal.

5. Se

liberan Pi y ADP.

El puente transversal se flexiona y el filamento de actina es llevado hacia el centro de la sarcómera. 6.

Figura 31. Ciclo de contracción muscular.

H C E P C 106

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 11.3.3 Metabolismo muscular A menudo se exige a las células musculares que realicen trabajo extenuante, de modo que deben contar con un gran suministro de energía. La fuente inmediata de energía necesaria para la contracción es el ATP. La contracción muscular requiere tanto ATP que las células musculares no pueden disponer del suficiente. En las moléculas de ATP, solo puede almacenarse energía suficiente para unos pocos segundos de actividad intensa. Sin embargo, las células musculares tienen un compuesto de almacenamiento de energía de reserva, denominado creatinfosfato (CP) o fosfocreatina. El creatinfosfato provee de grupos fosfatos ricos en energía para transformar el ADP en ATP. La energía acumulada en la forma de fosfatocreatina se transfieren al ADP, según sea necesario. La enzima implicada en esta reacción reversible es la creatinfosfoquinasa (CPK). Si la reserva de ATP en una célula es alta, el equilibrio de la reacción se dirige de tal manera que el grupo fosfato pasa del ATP a la creatina. Si la reserva de ATP disminuye, el equilibrio se dirige en la dirección contraria, pasando los grupos fosfatos del creatinfosfato al ADP. Sin embargo, durante el ejercicio vigoroso, el suministro de fosfocreatina dura unos 15 segundos, lo que basta para períodos breves de actividad máxima, como una carrera de 100 metros. Cuando los depósitos de ATP y CP se agotan, las células musculares deben reponer estos compuestos ricos en energía. El combustible utilizado para ello es el glucógeno, un polisacárido de elevado peso molecular formado por cientos de miles de unidades de glucosa. El glucógeno que había estado en almacenamiento es degradado para obtener glucosa, la que a su vez se degrada en la respiración celular. Cuando se dispone de suficiente oxígeno, de la glucosa se obtiene energía que se requiere para producir ATP y CP en las cantidades necesarias. Durante un ejercicio intenso, el aparato cardiovascular no es capaz de aportar oxígeno en cantidad suficiente para satisfacer las necesidades de las células musculares en rápido metabolismo. Esto da por resultado una deuda de oxígeno. En tales condiciones, las células musculares son capaces de degradar las moléculas de gl ucosa en forma anaeróbica por cortos períodos. La fermentación láctica es un método para generar ATP con rapidez, pero no en grandes cantidades. El agotamiento de ATP da por resultado contracciones más débiles y fatiga muscular. La acumulación de ácido láctico, un producto de desecho, también contribuye a la fatiga muscular.

12. Enfermedades del sistema nervioso 12.1 Epilepsia Enfermedad crónica caracterizada por la aparición de crisis, que son consecuencia de una excitación anómala de alta frecuencia de un grupo de neuronas, comenzando de forma focal y extendiéndose a otras partes del encéfalo en grado variable. Los diferentes síndromes epilépticos pueden ser clasificados en función del tipo y del patrón de crisis, la edad de inicio, localización anatómica y etiología.

H C E P C 107


Sistem� nervio�

Las crisis epilépticas pueden ser, por ejemplo: •

Epilepsia tónico-clónica o de tipo gran mal: presenta crisis generalizadas con convulsiones. Se caracterizan por una fase de rapidez múscular tónica, seguida posteriormente por sacudidas vigorosas del cuerpo y de los miembros.

•

Ausencia o epilepsia del tipo petit mal: crisis generalizadas por una alteración de la conciencia que dura menos de 10 segundos. Aparece con mayor frecuencia en niños y se puede confundir con un estado de ensimismamiento o de estar “soñando despierto”.

12.2 Trastornos afectivos Está implicado el estado de ánimo (síntomas cognitivos/emocionales), que se asocia a alteraciones del comportamiento, del vigor, del apetito y del sueño (síntomas biológicos). Estos transtornos pueden ser contemplados como los extremos patológicos de un continuo, representado por el estado de ánimo normal de cada individuo, que irán desde una excitación y exaltación extrema a un estado depresivo grave. Existen dos tipos de transtornos afectivos: •

Manía: se caracteriza por euforia, aumento de la actividad motora, fuga de ideas y sensación de grandiosidad y confianza en sí mismo.

•

Depresión: se caracteriza por aflicción, malestar, desesperación, sensación de culpa, apatía, indecisión, disminución de energía y cansancio, cambios en el patrón de sueño, pérdida del apetito e ideas de suicidio. Se clasifica en dos tipos: Depresión reactiva: se caracteriza por tener una clara causa psicológica. Implica una menor intensidad de los síntomas biológicos. Entre un 3 y un 10 por ciento de la población resulta afectada. Su incidencia aumenta con la edad y es más frecuente en mujeres. Depresión endógena: no existe una causa clara y presenta síntomas más fuertes, por ejemplo, ideas suicidas y una mayor probabilidad de síntomas biológicos, como insomnio y anorexia, entre otros. Afecta al uno por ciento de la población y suele comenzar en la vida adulta temprana, afectando por igual a ambos sexos.

H C E P C 108


Sabías que...

Cuando existe un déficit de noradrenalina, dopamina, serotonina y otras aminas en ciertas sinapsis encefálicas, se produce una grave depresión psíquica. Este hecho dio lugar al desarrollo de fármacos antidepresivos. Algunos de estos antidepresivos inhiben la catecol – O – metiltransferasa (COMT), enzima que inactiva la noradrenalina. Cuando esta enzima es inhibida por un antidepresivo, aumenta la cantidad de noradrenalina activa en las sinapsis encefálicas, aliviando l os síntomas depresivos. Otros antidepresivos bloquean la acción de la monoaminooxidasa (MAO), enzima que inactiva la dopamina y la serotonina. Antidepresivos de amplio uso, como imioramina y amitriptilina, aumentan los niveles de amina en la sinapsis encefálica, bloqueando su penetración en los terminales axónicos. La fluoxetina, un fármaco muy popular, produce efectos antidepresivos inhibiendo l a captación de serotonina. La cocaína, utilizada en medicina como anestésico local, produce sensación de bienestar a los cocainómanos, bloqueando igualmente la absorción de dopamina. Por desgracia, la cocaína y drogas similares también afectan adversamente la circulación sanguínea y la función cardíaca cuando se consume en grandes cantidades, pudiendo causar la muerte de algunos individuos.

12.3 Trastornos bipolares Como presenta oscilaciones del estado de ánimo entre la depresión y la manía, se reconoce como trastorno maniático depresivo. Se desarrolla precozmente en la vida y tiende a ser hereditario. Afecta al uno por ciento de la población y puede ir acompañado por fenómenos psicóticos.

12.4 Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) Es un raro trastorno del cerebro, degenerativo e invariablemente mortal. Afecta aproximadamente a uno de cada un millón de personas en todo el mundo. La ECJ aparece generalmente en etapas más avanzadas de la vida y mantiene una trayectoria rápida. Típicamente, los síntomas comienzan aproximadamente a la edad de 60 años y un 90 por ciento de los pacientes mueren dentro de un año. En las etapas iniciales de la enfermedad, los pacientes sufren falla de la memoria, cambios de comportamiento, falta de coordinación y perturbaciones visuales. A medida que progresa la enfermedad, el deterioro mental se hace pronunciado y pueden ocurrir movimientos involuntarios, ceguera, debilidad de las extremidades y coma. Hay tres categorías principales de la Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ): -

ECJ esporádica: la enfermedad aparece aun cuando la persona no tiene factores conocidos de riesgo para la enfermedad. Este es el tipo más común de ECJ, manifestándose al menos en un 85 por ciento de los casos.

-

ECJ hereditaria: la persona tiene algún historial familiar de la enfermedad o pruebas positivas de mutación genética asociada con la ECJ. De un 5 a un 10 por ciento de los casos de ECJ en Estados Unidos, son hereditarios.

-

ECJ adquirida: la enfermedad es transmitida por exposición al tejido cerebral o del sistema nervioso, comúnmente mediante ciertos procedimientos médicos. No hay prueba de que la ECJ sea contagiosa mediante contacto casual con un paciente de ECJ. Desde que la ECJ se describiera por primera vez en el año 1920, menos de uno por ciento de los casos han sido de forma adquirida.

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Sistem� nervio� La Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) pertenece a una familia de enfermedades de los seres humanos y animales conocida como encefalopatías espongiformes transmisibles (EET). Espongiformes se refiere al aspecto característico de los cerebros infectados, que se llenan de orificios o agujeros hasta que se asemejan a esponjas bajo una mirada al microscopio. Podemos encontrar otros casos de EET en tipos específicos de animales. Entre estos figuran la encefalopatía espongiforme bovina (EEB), que se encuentra en las vacas y se llama a menudo enfermedad de las “vacas locas”, l a scrapie, que afecta a las ovejas; y la encefalopatía del visón. Enfermedades similares han ocurrido en los alces, ciervos y animales exóticos.

12.5 Enfermedad de Alzheimer Es la demencia más común. Demencia es la pérdida irreversible de las capacidades intelectuales, incluyendo la memoria, la capacidad de expresarse y comunicarse adecuadamente, de organizar la vida cotidiana y de llevar una vida familiar, laboral y social autónoma. Conduce a un estado de dependencia total y, finalmente, a la muerte. Comienza siempre con trastornos de la memoria que son, desde fases muy incipientes, importantes desde el punto de vista funcional, es decir, que interfieren con las actividades. Al principio la pérdida se refiere, sobre todo, a hechos recientes. En esa fase llama la atención que el paciente recuerde, e incluso le guste evocar una y otra vez, con todo detalle, hechos referentes a su infancia y juventud, lo que puede mantenerse incluso ya cuando no es capaz de recordar el nombre de sus nietos o la fecha de Navidad. Poco a poco deja de recordar todo cuanto se refiere a sí mismo, como su edad y dónde vive; confunde a sus hijos o piensa que su esposo es su padre. Hay que destacar, no obstante, que aunque a veces es ya incapaz de recordar el nombre de sus seres queridos, su presencia suele resultarle agradable y tranquilizadora. El buen contacto afectivo, las emociones y el trato afectuoso acostumbra a ser aceptado y agradecido. En las fases finales se pierde, incluso, este aspecto tan primario de la relación. Dentro de las causas moleculares que se han descrito para la enfermedad de Alzheimer se encuentran la formación de placas seniles, debido a la precipitación de péptido-amiloide, y la formación intracelular de ovillos neurofibrilares. Algunos factores de riesgo: -

Edad: se presenta a edades avanzadas de la vida, y es tanto más frecuente cuanto mayores son las personas, pero hay formas precoces que comienzan a los 50 o 60 años y aunque muy raramente, incluso antes.

-

Predisposición genética: se han identificado en los últimos años determinados rasgos genéticos (genotipos) que confieren a la persona portadora una predisposición, a veces muy alta, de padecer la enfermedad, sobre todo si vive el tiempo suficiente. Pero no se puede considerar que la enfermedad de Alzheimer sea una enfermedad hereditaria de la forma en que se entiende clásicamente. Son muy raros los casos de familias afectadas de una mutación genética transmisible. En estas condiciones, sí es hereditaria la enfermedad. En los demás casos hay que insistir en que se hereda un rasgo genético de predisposición, solo eso. Otro factor conocido de riesgo, en relación con factores genéticos, es tener en la familia parientes con síndrome de Down.

12.6 Enfermedad de Parkinson La enfermedad de Parkinson puede ser uno de los más sorprendentes y complejos desórdenes neurológicos. Su causa sigue siendo un misterio, pero la investigación en esta área es activa, y constantemente estamos recibiendo resultados nuevos e interesantes. Se produce por muerte de neuronas que producen dopamina. H C E P C 110

La enfermedad de Parkinson pertenece a un grupo de condiciones llamadas desórdenes del sistema motor. Los cuatros síntomas principales son el temblor en las manos, los brazos, las piernas, la mandíbula y la cara; la rigidez de las extremidades y el tronco; la bradicinesia o lentitud de movimiento; y la inestabilidad de postura o la coordinación o balance afectados. A medida que estos síntomas se hacen más pronunciados, los pacientes pueden tener dificultad en caminar, hablar y realizar otras tareas simples.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 13. Alteraciones oculares 13.1 Catarata Se denomina así a las enfermedades que provocan opacidad del cristalino, hecho que conduce a la ceguera por imposibilidad de atravesar la luz.

13.2 Hipermetropía Anomalía del ojo mismo en la cual el globo ocular es demasiado corto en su diámetro antero - posterior, por lo cual la imagen en foco se forma detrás de la retina (Fig. 32). También puede corresponder a una alteración del cristalino o de sus elementos suspensorios. Para enfocar, el sujeto debe alejar los objetos para que la imagen caiga en la retina. Este defecto se corrige con lentes biconvexos, también llamados convergentes.

13.3 Miopía Aquí el globo ocular es más largo que lo normal. Además, en un pequeño porcentaje de los casos, la alteración reside en el cristalino, que tiene demasiada curvatura (muy convexo). De este modo, la imagen se forma por delante de la retina y para ver nítidamente el sujeto debe acercar los objetos (Fig. 32). Así, corre la imagen hasta que cae en la retina. Por lo tanto, estos sujetos son cortos de vista, ven mal de lejos y bien de cerca. El defecto se corrige con lentes bicóncavos o divergentes, que separan los rayos luminosos de tal manera que éstos convergen más atrás, cayendo sobre la retina.

13.4 Astigmatismo Este defecto corresponde a una desigualdad en la cur vatura de la córnea y/o del cristalino, por lo cual parte del objeto es enfocado en la retina, mientras que otros segmentos de la imagen se forman por atrás o delante de esta. Se corrige con lentes cilíndricos. Estos son cristales especiales pulidos de tal forma que tienen diferentes curvaturas en sus distintas partes, que corresponden con el defecto ocular. a) Ojo normal

retina

objeto distante, cristalino delgado para enfocar en la retina.

objeto cercano, cristalino abombado para enfocar en la retina.

b) Ojo miope (globo alargado)

objeto distante, enfocado delante de la retina.

La lente bicóncava diverge los rayos, el objeto se enfoca en la retina.

c) Ojo hipermétrope (globo achatado)

objeto cercano, enfocado detrás de la retina.

La lente biconvexa converge los rayos, el objeto se enfoca en la retina

Figura 32. Alteraciones de la visión.

H C E P C 111


Sistem� nervio�

14. Estructura del tórax y mecanismo de ventilación pulmonar La respiración es el proceso por el cual se capta, transporta, entrega y utiliza el oxígeno (O 2) atmosférico en las células, eliminándose el dióxido de carbono (CO2) por un proceso inverso. La respiración puede dividirse en cuatro etapas: • Ventilación pulmonar: es la captación del aire y su movilización hasta los alvéolos pulmonares. También se llama respiración externa. •

Intercambio gaseoso: es la difusión del O2 desde el alvéolo hacia la sangre y del CO2 desde la sangre hacia el alvéolo pulmonar. Se denomina hematosis.

•

Transporte gaseoso: se refiere a la movilización del CO 2 y O2 por la sangre. El O2 se transporta desde el pulmón hasta las células. El CO2 se moviliza desde las células hacia el pulmón.

•

Respiración celular: es la utilización del O2 por la célula (mitocondria), para así obtener energía.

14.1 Anatomía del sistema respiratorio humano En el ser humano, el sistema respiratorio incluye dos grandes sectores: a. Vías aéreas

•

Cavidad nasal: el aire inspirado al pasar por la nariz es filtrado, humedecido y calentado a la temperatura corporal. Suciedad, bacterias y otras partículas extrañas que se inhalaron quedan atrapadas en el flujo de moco producido por células del epitelio, que es luego impulsado hacia la faringe por cilios.

•

Faringe: es una estructura muscular cubierta por mucosa. Se extiende desde la base del cráneo por arriba, hasta continuarse con el esófago por abajo. Conduce el aire a la laringe o caja vocal, así como el alimento de la boca al esófago; además participa en el importante proceso de la fonación.

•

Laringe: es el órgano más complejo del sistema respiratorio. Se localiza bajo la faringe y está constituida de cartílago. El más prominente es el cartílago Tiroides (manzana de Adán). Otro cartílago es la epiglotis, que sirve como una tapa que cubre automáticamente la abertura superior de la laringe durante la deglución. La laringe es responsable de la fonación, así como de la conducción de aire.

•

Tráquea: se localiza bajo la laringe y delante del esófago. Está formada por una serie de anillos cartilaginosos incompletos que le dan firmeza a la pared y permiten mantener constante el lumen de la tráquea. La tráquea forma parte de las vías aéreas superiores, por las cuales pasa el aire en dirección a los pulmones.

• Bronquios: al final de su trayecto, la tráquea se bifurca dando origen a los bronquios derecho e izquierdo. Cada bronquio penetra, a nivel de su borde interno. Dentro de los pulmones, los bronquios se ramifican en vías respiratorias cada vez más pequeñas y numerosas, que dan lugar a más de un millón de diminutos bronquíolos en cada pulmón. El diámetro de los bronquíolos es regulado por los nervios simpáticos y parasimpáticos (que producen broncodilatación y broncoconstricción respectivamente). Cada bronquíolo al dividirse origina los conductos alveolares, los que a su vez desembocan en los sacos alveolares. H C E P C 112


Senos paranasales Centros respiratorios Lengua Epiglotis

Esófago

Bronquiolos Espacio ocupado por el corazón Bronquio

Diafragma

Figura 33. Sistema respiratorio.

b. Zona de intercambio (pulmones) El pulmón es un órgano par, de forma cónica y con propiedades elásticas que se aloja en la cavidad torácica, dentro de la jaula ósea formada por las costillas. Entre ambos pulmones se delimita un espacio llamado mediastino, en el cual encontramos diversos órganos de gran importancia: tráquea, bronquios principales y corazón. Exteriormente, ambos pulmones están recubiertos por una membrana serosa: la pleura. Esta pleura consta de dos hojas: la pleura visceral, que se adhiere íntimamente al pulmón, cubriéndolo completamente, y la pleura parietal, que se adhiere a la superficie interna de la cavidad torácica. Entre ambas hojas se presenta un líquido similar a la linfa, cuya función es lubricar y permitir la expansión pulmonar. Este líquido genera una presión negativa que permite la expansión del pulmón, denominada presión intrapleural. El interior de cada pulmón está constituido por tubos de diámetro decreciente que constituyen el árbol bronquial y sirven como distribuidores del aire. El resto del pulmón o parénquima pulmonar propiamente tal está formado casi enteramente por alvéolos. El pulmón se divide en lóbulos (tres lóbulos el pulmón derecho y dos el izquierdo). A su vez, cada lóbulo se organiza en lobulillos que constituyen la unidad funcional del pulmón. A cada lobulillo llega un bronquíolo que al ramificarse da origen a un conjunto de diminutos sacos aéreos, conocidos como alvéolos. Finalmente, los alvéolos se ponen en contacto con los capilares que irrigan al lobulillo. De esta forma, los gases se difunden en ambos sentidos.

14.2 Fisiología de la respiración La ventilación pulmonar, comúnmente llamada respiración, es el proceso mediante el cual se intercambian gases entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares. La mecánica respiratoria es el conjunto de movimientos que permiten que se lleve a cabo la ventilación pulmonar. Consiste en dos movimientos: inspiración y espiración (Fig. 34).

H C E P C 113


Sistem� nervio�

En primer lugar, se debe señalar que el flujo de aire se produce por una gradiente de presión, es decir, el aire se mueve desde zonas de alta presión hacia zonas de presión más bajas. Por lo tanto, la mecánica respiratoria depende de la existencia de un gradiente de presión entre el ambiente (presión ambiental) y l a cavidad torácica (presión intratorácica), la que está directamente relacionada con la presión al interior de los pulmones (presión intrapulmonar). Como la presión ambiental es más o menos constante, la diferencia se produce por cambios a nivel de la presión intratorácica. Esto es realizado gracias a la acción de los dos principales músculos inspiratorios, diafragma e intercostales externos, los que cambian el tamaño de la cavidad torácica.

a. Inspiración

Durante la inspiración, la contracción del diafragma y músculos intercostales (proceso activo) por estimulación del nervio frénico, aumenta el largo y el diámetro del tórax. Al aumentar el volumen torácico, la presión intratorácica disminuye. En ese momento los pulmones se expanden y la presión intrapulmonar se hace menor que la atmosférica, generándose así un gradiente d e presión que lleva el aire hacia los pulmones.

b. Espiración

Luego de la inspiración, la relajación de los músculos inspiratorios provoca un aumento de las presiones intratorácicas e intrapulmonar, por lo que el aire sale de los pulmones. Debido a esto, la espiración es considerada un proceso pasivo. A pesar de esto, la espiración puede ser activa si se fuerza la salida de aire (espiración forzada). En este caso, la contracción de los músculos intercostales internos y abdominales produce un aumento mucho mayor de la presión intratorácica e intrapulmonar y el aire sale con más fuerza de los pulmones.

Tráquea Pulmón

Inspiración

H C E P C 114

Diafragma

Espiración

Diafragma Inspiración

Espiración

Figura 34. Ventilación pulmonar.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 15. Control de la frecuencia respiratoria La respiración es un fenómeno principalmente involuntario del cual no tenemos conciencia. Aunque también existe una influencia que podemos ejercer sobre la respiración en forma voluntaria a través de la corteza cerebral. Desde el punto de vista involuntario, varios centros actúan para producir la respiración:

a. Bulbo raquídeo

Posee los centros inspiratorio y espiratorio, que son los encargados de originar la respiración. Por ejemplo, el centro inspiratorio al actuar estimula la contracción del diafragma, generándose la inspiración, y al dejar de actuar se relaja el diafragma para producir la espiración. El centro inspiratorio controla el ritmo básico, fijando la frecuencia de la inspiración. Este grupo neuronal recibe impulsos sensoriales a través de los nervios glosofaríngeo (IX par craneal) y vago (X par craneal). Los impulsos motores de este centro viajan por el nervio frénico hacia el diafragma. El centro espiratorio se encarga principalmente de la espiración durante el ejercicio, ya que la espiración en reposo es un proceso pasivo. Un aumento en la Pco2 o disminución del pH o de la Po2 en la sangre

RECEPTORES Quimiorreceptores centrales en el bulbo raquídeo

Quimiorreceptores periféricos en la arteria aorta y en las arterias carótidas

Restauración de la homeostasis

Impulsos nerviosos

Estímulo Centro de Control Área inspiratoria del bulbo raquídeo Respuesta

Impulsos nerviosos EFECTORES El diafragma y otros músculos auxiliares de la respiración se contraen con más fuerza y frecuencia, generándose una hiperventilación

Disminución de la Pco2 y aumento del pH y Po2 en la sangre

Figura 35. Regulación de la respiración en respuesta a cambios en la Po2 , Pco2 y pH en la sangre.

b. Protuberancia anular

En ella se encuentran los centros apneústico y neumotáxico, que se encargan de que la respiración sea un fenómeno uniforme. Es decir, una lesión de la protuberancia no impide que el sujeto respire, sino que su respiración se vuelve irregular. El centro apnéustico pertenece a la parte baja de la protuberancia anular y excita las neuronas del centro inspiratorio, alargando los potenciales de acción en el nervio frénico y prolongando la contracción del diafragma. Por lo tanto, regula la profundidad de la respiración.

H C E P C 115


Sistem� nervio�

El centro neumotáxico se encuentra en la parte alta de la protuberancia anular. Se encarga de inhibir la inspiración, limitando la descarga del nervio frénico y ejerciendo un efecto regulatorio sobre la respiración.

15.1 Receptores

a. Receptores al estiramiento pulmonar

Estos se ubican en la pared del pulmón y son de dos tipos: de inflación y de deflación. Cuando se produce la inspiración, el aire ingresa a los pulmones. Cuando se llega al límite, los receptores a la inflación inician un reflejo que inhibe al centro inspiratorio del bulbo para que pueda ocurrir la espiración. Así mismo, el aire sale de los pulmones hasta el límite detectado por los receptores a la deflación, que inhiben ahora al centro espiratorio. De esta forma se va generando un ritmo respiratorio normal. Estos reflejos se conocen como de Hering Breuer. El tronco encefálico controla la respiración mediante el procesamiento de información sensorial (aferente) y el envío de información motora (eferente) al diafragma. La información sensorial que llega al tronco encefálico está relacionada con la presión arterial de oxígeno y de dióxido de carbono y con el pH arterial. Las variaciones de estos factores son detectadas por quimiorreceptores, que son de dos tipos: b. Receptores periféricos

Se ubican en las arterias aorta y carótida. Son sensibles a la variación en la presión de CO2 y secundariamente al pH y presión de oxígeno. Los quimiorreceptores periféricos incrementan la frecuencia respiratoria frente a los siguientes cambios en la composición de la sangre arterial: disminución de la presión arterial de oxígeno, aumento de la presión arterial de dióxido de carbono y disminución del pH arterial.

RESPIRACIÓN FORZADA

RESPIRACIÓN NORMAL

Activa Área inspiratoria Activa

Área inspiratoria activa

Impulsos nerviosos

Impulsos nerviosos

El diafragma se contrae activamente

El diafragma se relaja, lo cual va seguido del rebote elástico de la pared torácica y los pulmones

Inspiración tranquila normal

Espiración normal tranquila

Se contraen los músculos intercostales externos, diafragma, pectorales menores, esternocleidomastoideos y escalenos

Inspiración forzada

Figura 36. Regulación de la respiración.

H C E P C 116

Área espiratoria

Inactiva Impulsos nerviosos

Se contraen los músculos abdominales e intercostales internos

Espiración forzada

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� c. Receptores centrales

Ubicados a nivel del bulbo y en contacto con el LCR (líquido cefalorraquídeo). Son los más importante para controlar la respiración minuto a minuto. Estos receptores son sumamente sensibles a los cambios de pH del LCR. La disminución del pH del LCR provoca incremento de la respiración (hiperventilación) y un aumento de pH la reduce (hipoventilación). Los quimiorreceptores centrales responden directamente a los cambios de pH e indirectamente a las variaciones de la presión arterial de di óxido de carbono.

Efecto de la corteza cerebral

En el control voluntario, los impulsos son transmitidos desde la corteza cerebral al centro respiratorio, ya sea inhibiendo o aumentando la frecuencia respiratoria conscientemente. Otros factores que afectan la respiración son: -

La estimulación dolorosa súbita, la inmersión en el agua; los estímulos fríos repentinos en la piel producen apnea, o sea, detención repentina de la respiración.

-

Las emociones fuertes, como el miedo y la excitación.

H C E P C 117


H C E P C 118

Sistem� nervio�


1.

Arco reflejo: unidad funcional del sistema nervioso. Representa la forma en que se ordenan las neuronas para generar una respuesta por parte del sistema nervioso. Un arco reflejo está organizado por un receptor, una vía sensitiva (neurona sensitiva), un centro elaborador, una vía motora (neurona motora) y un efector.

2.

Despolarización: modificación de la polaridad de la membrana de una célula nerviosa o de una célula muscular, producto de la estimulación que se hace sobre ella. La despolarización se produce por una entrada masiva de sodio al interior de la neurona o la célula muscular. El potencial de membrana se vuelve positivo durante la despolarización.

3.

Hiperpolarización: cambio del potencial de membrana que hace más negativo el valor de este. Se produce por la apertura de canales de potasio, el que sale de la célula favorecido por su gradiente. El resultado es que la célula se hace más difícil de estimular.

4.

Impulso nervioso: fenómeno eléctrico que relaciona, a lo menos, dos neuronas. Esta señal se transmite a lo largo de las neuronas y todos son idénticos en fuerza y forma, modificándose la permeabilidad de la membrana del axón a lo que sigue el movimiento de iones Na+ y K +.

5.

Neurona: célula que representa la unidad estructural y funcional del sistema nervioso, capaz de generar una respuesta eléctrica frente a un estímulo. El grado de especialización de esta célula ha hecho que pierda la capacidad de división celular. Es una de las dos células excitables del organismo (las otras son las células musculares), es decir, frente a un estímulo es capaz de generar una respuesta eléctrica que se conoce como potencial de acción.

6.

Neurotransmisor: sustancia química sintetizada y liberada por las neuronas durante el desarrollo de la sinapsis y que actúa sobre otra neurona o una célula muscular. Estas sustancias son capaces de modificar la polaridad de la membrana de la célula sobre la que actúan, de manera que la despolarizan o la hiperpolarizan.

7.

Potencial de acción: cambio transitorio del potencial eléctrico de membrana de una neurona o una célula muscular producto de la estimulación de la misma. La generación de este potencial depende de la intensidad del estímulo y del movimiento de iones. El potencial de acción es de naturaleza unidireccional en una neurona.

8.

Repolarización: representa la fase del impulso nervioso durante la cual el potasio sale de la célula para recuperar el estado polarizado inicial.

9.

Sinapsis: contacto de dos neuronas o de una neurona y una célula muscular por medio del cual se transmiten los impulsos nerviosos.

10.

Umbral de excitación: intensidad mínima que debe poseer un estímulo para lograr vencer el potencial de reposo de una célula nerviosa o muscular para lograr generar una respuesta: un impulso ner vioso o la contracción muscular.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� s i s e t n í s e d a m e u q s E

a i r o t a t l a s a y d o a n a c i ó u r n n t o i c í c a t o é t n l i e d c o o o x i t e c n b a e ó o e d i c n c e d n l a u r d m o b ó p n s n e m o e R F U C • • • •

e e d d n s e n ó l i ó a i c i a c c c r e n e a n t e o G p . . . e d n ó i c n u f

s a t i r a n d ó m x n e o A D . . S . r • • • o p a d a m r o f

s a n o r u e N

a m e t s i S

o r b e r e C

r a l u c s a V

l a n i o o l n s e p a e b g e r a r l e u Ó C d é M

o o n s i o r i c v o r e d n N E

n n o a a t w n i c h o c r o S r u e t s a N A l u l é C

o d i j e T

a l u l é C

s a c i m í u Q

s e r o s i m s n a r t o r u e N

s a c i r t c é l E

s e n o I

s i s p a n i S

r o . p . . a n l a t e c e d n i o o c d e e s m

e t . n . . e n m e a c n i e g d i ó l i v o d t s i e o s h s i o v r e N

s a í l g o r u e N

. . . e d s e n o i c n u f

. . . n e e d i v i d e s e t n e m l a n o i c n u f

. . . n e e d i v i d e s e t n e m a c i m ó t a n a

. . . e d s e n o i c n u f

n e d t o d ó i j a a c a n d i a z i e d a i i i l l n i i d i r m b o b d n i i e s m v t a r r o i e o p n o r e M M I r C A S • • • • • •

o c i r t c o c é l i n e á o t n c e n n ó e i ó m i i c c m c n i e t é l a r t t s s u o r o i N P S A • • • •

a c i t n á ó i s p i m v i i s a D r a P

o a o s m ) o o A m n e i v t ó r s e t N S i S N u ( A a n i c ó t i s á i v p i m D i S

o a o s i c o t ) S m i e á v N t r s e m S i o S N S (

a o s l a ) o t r m C i e v n N t r s e e C S i ( S N

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. . . r o p o d a m r o f

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. . . r o p o d a m r o f

s s e l e l a e a n n i p a r c s e s s o o i i v v r e r e N N • •

H C E P C 119

H C E P C

120

Capítul� 4 Sistem� nefrourinari�




Identificar las estructuras que conforman el sistema nefrourinario.



Identificar los componentes del nefrón.



Analizar el mecanismo de formación de la orina.



Valorar la importancia de la función renal en la homeostasis hidrosalina.


Sistem� nefrourinari�

Introducción Las células del organismo, tal como las secciones de una gran fábrica, no solo requieren de energía y materias primas para su correcto funcionamiento, sino también de un sistema que sea capaz de eliminar todos los desechos que se producen durante su actividad. Los procesos normales del metabolismo celular producen un conjunto de sustancias inútiles o tóxicas para las células cuando su concentración aumenta más allá de lo debido. Esto hace necesario un dispositivo mediante el cual se eliminen tales productos, al tiempo que se mantiene el equilibrio de las sustancias útiles, ajustando su eliminación al ritmo con que se forman o ingresan en el organismo. Es decir, el cuerpo humano tiende a mantener constante su “medio interno”. Antes de iniciar el estudio del sistema nefrourinario, conviene tener claros los siguientes conceptos: Excreción: es la eliminación de los productos residuales del metabolismo celular por medio del sistema excretor (por ejemplo la urea) y el sistema respiratorio (por ejemplo CO 2). Estos productos residuales son sustancias que ya no pueden ser utilizadas por el organismo. Secreción: eliminación de alguna sustancia, por parte de una célula, que será utilizada en algún proceso metabólico. Ejemplo: secreción de una hormona o de enzimas digestivas. Egestión: eliminación de residuos del proceso digestivo (lo que no se absorbe ni digiere). Estos residuos no han “ingresado” realmente a nuestro organismo, es decir, no han pasado a nuestro medio interno.

1. Anatomía del sistema nefrourinario El riñón, por la función que cumple, es un órgano importante dentro del sistema excretor, aunque no su único componente. Además de los riñones que excretan la orina, se encuentran los uréteres, la vejiga urinaria y la uretra.

Riñón Pelvis renal

Uréter

Riñón Pelvis renal

Uréter

Vejiga urinaria Vejiga urinaria Uretra

FEMENINO

Uretra

MASCULINO

Figura 1. Sistema nefrourinario.

H C E P C 122

Este sistema tiene la misión de mantener relativamente constante la composición del plasma. Esto se logra a través de la eliminación de sustancias que ya no son útiles al organismo y que derivan del metabolismo celular; la regulación del equilibrio mineral y acuoso; el mantenimiento de la presión osmótica, y la concentración de H+ (pH) de la sangre dentro de límites normales.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En los riñones, los productos de desecho son eliminados constantemente de la sangre a través de unos conductos denominados uréteres, los cuales desembocan en la vejiga urinaria. Aquí son almacenados hasta que el organismo los evacua voluntariamente a través de un tubo único denominado uretra.

1.1 Riñón Pirámides renales (médula)

a. Anatomía externa Cápsula

El riñón es un órgano par, topográficamente hablando, se encuentra adosado a la pared posterior de la cavidad abdominal, en la zona lumbar. En este órgano podemos distinguir una cara anterior, una cara posterior, un borde interno, un borde externo, un polo superior y uno inferior. Por el borde interno del órgano, en la zona llamada hilio renal, penetran los nervios y la arteria renal, nacida directamente de la aorta abdominal, y sale la vena renal, que desemboca en la vena cava inferior, los vasos linfáticos y el uréter (Fig. 2). El hilio se ensancha en un espacio donde se encuentra la pelvis renal, que se continúa en el uréter. Sobre el polo superior se ubican las suprarrenales.

Corteza Médula

Hilio renal Arteria renal

Vena renal Pelvicilla renal Uréter

Figura 2. Riñón.

glándulas

b. Anatomía interna

Al seccionar un riñón en forma longitudinal, de modo de separarlo en una mitad anterior y otra posterior, se puede observar en la superficie del corte una disposición muy especial de los tejidos (Fig. 2). -

La corteza: es la zona más externa del riñón. Presenta un color rojo pálido y una apariencia granular, debido a que en esta zona se ubican los corpúsculos de Malpighi (corpúsculos renales) y el tubo distal de los nefrones.

-

La médula: es la zona más interna del riñón. Presenta un color rojizo oscuro y está formada por 10 a 12 estructuras cónicas estriadas llamadas pirámides de Malpighi ( pirámides renales). Deben su apariencia antes mencionada a la ubicación de las asas de Henle y túbulo colector de los nefrones en el riñón.

Los vértices de las pirámides constituyen las papilas renales, las cuales confluyen hacia los cálices renales, menores y mayores, que en número de 3 a 4 desembocan finalmente en la pelvis renal. Entre cada pirámide se insinúa la corteza, formando las columnas de Bertin ( columnas renales).

1.2 El nefrón Microscópicamente, la unidad anátomo-funcional del riñón es el nefrón (Fig. 3). Los nefrones son pequeños túbulos distribuidos en las zonas medular y cortical, muy bien irrigados. Existen aproximadamente 1.300.000 nefrones en cada riñón y cada uno de ellos realiza su función en forma independiente. Cada nefrón se compone de dos partes fundamentales:

H C E P C 123



Cápsula de Bowman Un extremo del túbulo renal se dilata para formar una cápsula que engloba el glomérulo

Arteriola aferente (aporta sangre al glomérulo) Glomérulo En esta masa de capilares es donde se filtra la sangre

Tubo colector Túbulo contorneado proximal (T.C.P.)

Arteriolas eferentes (transportan la sangre fuera del glomérulo)

Capilar peritubular Arteria interlobulillar Vena interlobulillar

Túbulo contorneado distal (T.C.D.)

Arteria

Vena

Tubo colector

Sección ascendente Asa de Henle (esta es la sección más delgada del túbulo renal)

Sección descendente

Figura 3. Nefrón.

a. Glomérulo renal • Glomérulo: estructura especializada en la función de filtración. Tiene 150 a 200 micrones de diámetro. Está constituido por un ovillo de capilares, los que están rodeados por el primer segmento del túbulo renal, la cápsula de Bowman (Fig. 4). Esta cápsula queda constituida por dos hojas: la visceral, que se adosa a los capilares, y la parietal, que se continúa con la pared del túbulo. Entre ambas hojas queda un espacio que se continúa con el lumen del túbulo. Este conjunto de los capilares más la cápsula de Bowman se denomina corpúsculo de Malpighi. Túbulo contorneado distal

Cápsula de Bowman

Podocitos Capilares glomerulares Arteriola aferente

Arteriola aferente Aparato yuxtaglomerular Arteriola eferente

H C E P C

Túbulo contorneado distal

124

Figura 4. Corpúsculo renal (vista interior).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� La región interna del corpúsculo, vale decir el glomérulo, resulta de la ramificación de la arteria renal que irriga al riñón. Luego de penetrar en el hilio, se ramifica en arteriolas cada vez más pequeñas, hasta formar la arteriola aferente , que penetra al hueco central de la cápsula de Bowman y se ramifica en múltiples capilares fenestrados. Estos luego se reúnen en una arteriola de salida –arteriola eferente-. Esta arteriola (que sale del glomérulo) se ramifica en una red en torno al túbulo renal, formada por los ll amados capilares peritubulares. Estos vasos confluyen en venas, que se unen a otras mayores hasta terminar en la vena renal que sale del riñón y que desemboca en la vena cava inferior. Los capilares del glomérulo son fenestrados, lo cual significa que su pared está atravesada por numerosos poros (que facilitan la filtración glomerular). Además es importante mencionar que entre la cápsula de Bowman y los capilares del glomérulo existe una membrana basal, de naturaleza eléctrica negativa, que impide la filtración de proteínas plasmáticas. b. Túbulos renales

La cavidad de la cápsula de Bowman se continúa en un largo y sinuoso túbulo. Este se divide en túbulo contorneado proximal (T.C.P.), asa de Henle, túbulo contorneado distal (T.C.D.) y túbulo colector. •

Túbulo contorneado proximal: es la continuación de la cápsula de Bowman. Se encuentra ubicado en la corteza renal. Como su nombre lo indica, sigue un trayecto tortuoso en la zona cortical para introducirse luego en forma rectilínea en la médula. Es el sitio donde ocurre la mayor reabsorción de todas las sustancias que filtran (sobre todo las que son útiles para el organismo).

•

Asa de Henle: es el segmento intermedio entre el túbulo proximal y el distal. Su longitud varía según si el glomérulo está más cerca de la corteza o de la médula. Consta de una rama descendente y otra ascendente (segmento grueso), siendo la parte inferior el segmento delgado. La rama descendente del asa de Henle baja a la médula, y la rama ascendente retorna luego hacia la corteza, continuándose en el túbulo distal.

•

Túbulo contorneado distal y colector: el túbulo distal se encuentra en la corteza y siguiendo un trayecto tortuoso desemboca finalmente en el túbulo colector. Este último reúne el filtrado de varios nefrones, desembocando junto a otros en la papila renal.

Estos conductos, los colectores, son comunes a muchos túbulos, colectando la orina formada por varios nefrones.

Actividades

1.

Señala cuál es la unidad funcional del riñón e indique sus partes

2.

En el trayecto del túbulo renal se distinguen “zonas tortuosas”. Al respecto, indica cuáles son y determina su localización.

3.

El sector representado por el asa de Henle es más largo en nefrones localizados entre la corteza y la médula que en aquellos que se inician en la parte más superficial de la corteza. En relación con lo descrito, señala con qué guarda relación la longitud del asa de Henle.

H C E P C 125



2. Fisiología renal

Arteriola aferente

Arteriola eferente

2.1. Formación de la orina El objetivo fundamental de la formación de la orina es la eliminación de los desechos metabólicos circulantes, tales como ácido úrico, urea, creatinina, etc., conservando los componentes útiles de la sangre.

1. Filtración 2. Reabsorción 3. Secreción 4. Excreción

Capilares glomerulares 1

Cápsula de Bowman

2 3

Para lograrlo, el riñón se vale de tres importantes procesos:

Capilares Peritubulares

4

Vena renal

Excreción urinaria Excreción=filtración-reabsorción +secreción

Figura 5. Etapas de formación de la orina.

a. Filtración glomerular

Glomérulo Arteriola aferente

Cápsula de Bowman El paso de células sanguíneas está restringido

Célula endotelial del capilar

Eritrocito Arteriola eferente

Fenestraciones en el endotelio capilar

Núcleo

Podocito Hendiduras de filtración

Procesos podocitarios

Figura 6. Glomérulo.

La cantidad de sangre que pasa por el riñón en un minuto es de 1.250 mL, esto es, la cuarta parte del gasto cardíaco (cantidad de sangre expulsada por el corazón en un minuto). Esta sangre llega al glomérulo por la arteriola aferente, que se ramifica en capilares, y sale por la arteriola eferente . La sangre que entra a los glomérulos posee una presión bastante alta en comparación con la presión en los capilares del resto del cuerpo. Debido, en parte, a que el diámetro de la arteriola aferente es mayor que el diámetro de la arteriola eferente. El flujo sanguíneo encuentra una gran resistencia a nivel de glomérulo. H C E P C 126

Otro factor que favorece la filtración es que l a arteria renal es un vaso corto y recto, por lo que se pierde poca presión por roce. La filtración es un proceso que permite el paso de líquido desde el glomérulo hacia la cápsula de Bowman por la diferencia de presión sanguínea que existe entre ambas zonas.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� La presión útil de filtración es de 14 mmHg, por lo mismo, la sangre tiende a filtrarse a medida que avanza por el glomérulo (es como si cayera un “chorro” de líquido con gran fuerza sobre un colador con orificios muy pequeños). Así, se filtra a través de la membrana glomerular un gran número de sustancias tales como la urea, glucosa, aminoácidos, sales y agua. Todas ellas caen a la cápsula de Bowman, pasando a constituir el filtrado glomerular. La cantidad de filtrado glomerular que se forma por minuto en los nefrones de ambos riñones se denomina índice de filtrado glomerular y corresponde a unos 125 mL/min. Esto permite inferir que cada día se filtran, en ambos riñones, 180 litros aproximadamente.

Sabías que...

Por mucho tiempo se pensó que el filtrado glomerular no contenía proteínas, sin embargo, actualmente se ha comprobado que algunas proteínas de tamaño molecular inferior al de los poros de la membrana filtrante (células epiteliales de la cápsula de Bowman más las células endoteliales de los capilares), pueden atravesarla y encontrarse en el filtrado. La cantidad de proteínas filtradas es pequeña y la mayor parte de ellas es reabsorbida en los túbulos.

Se puede decir, entonces, que el filtrado glomerular está compuesto por plasma con pequeñas cantidades de proteínas (0,03%) y solutos, sin elementos figurados ni lípidos. El proceso de filtración glomerular es totalmente pasivo y no es selectivo, o sea se filtran sustancias de desecho, así como también algunas que aún son útiles (glucosa). b. Reabsorción tubular Durante la filtración, la sangre ha sido depurada de sus residuos tóxicos. Pero también ha sido despojada de muchos nutrientes y sales esenciales para el organismo. De esta manera, se comprende la importancia del proceso de reabsorción tubular, que se encarga de recuperar las sustancias útiles que vuelven a la circulación, dejando que las tóxicas continúen su trayecto a través del riñón. Una vez que el filtrado glomerular está en la cápsula de Bowman, los elementos fundamentales como electrolitos, nutrientes (glucosa, aminoácidos) y agua vuelven a pasar al plasma de los capilares peritubulares (reabsorción selectiva). Este proceso se cumple a través de transporte activo o por transporte pasivo a favor de gradiente de concentración. El sodio (Na+) es el principal catión absorbido en forma activa desde la luz del túbulo proximal hasta el capilar peritubular. Su absorción activa produce el arrastre pasivo de aniones Cl -, fosfatos y agua. El 67% del sodio filtrado se reabsorbe en el tubo proximal. Otras sustancias que también son absorbidas en forma activa a través de los capilares peritubulares son aminoácidos, glucosa, iones calcio, fosfatos, vitaminas C y B12. La reabsorción de la glucosa y aminoácidos se realiza en forma total en el túbulo proximal. En este sector se absorbe también alrededor del 67% del agua filtrada (reabsorción isosmótica).

H C E P C 127



La capacidad de transporte activo de los túbulos es limitada y cuando la cantidad de una sustancia por reabsorber sobrepasa esa capacidad, el exceso es eliminado por la orina. Este fenómeno se llama transporte máximo, el cual depende directamente del umbral plasmático renal , que es la máxima cantidad permitida de una sustancia en la sangre, para que esta no aparezca en la orina. De allí la importancia del ayuno cuando se realizan exámenes de orina.

Sabías que...

En la diabetes mellitus la concentración de glucosa en la sangre supera el umbral renal y, por lo tanto, la glucosa aparece en la orina, lo que clínicamente se denomina glucosuria.

El hecho de que en el túbulo proximal y el distal se registre principalmente transporte activo en la reabsorción de solutos, se relaciona con la alta cantidad de mitocondrias que sus células presentan, a diferencia del asa de Henle y el túbulo colector, donde son escasas. Cuando los solutos son transportados desde los túbulos renales hacia los capilares peritubulares, su concentración en el lumen tubular baja en forma considerable, mientras aumenta en el plasma. El fenómeno descrito provoca osmosis en la misma dirección en la que se movilizan los solutos. c. Secreción tubular y equilibrio ácido base

Los riñones desempeñan dos funciones principales en la conservación del equilibrio ácido-básico normal: reabsorción de bicarbonato (HCO3-) filtrado y excreción de protones (H +). Dentro de las sustancias secretadas (especialmente en el túbulo distal), vale decir las que pasan de las células epiteliales al lumen tubular, se encuentran el ión K +, H+ (ambos a través de transporte activo) y el ion amonio NH4+ (difusión pasiva). La excreción de H + y K + está asociada a movimientos inversos al sodio. La excreción de H+ es importante en la regulación del pH de la orina (4-7.5), que a la vez mantiene el equilibrio ácido-base en el medio interno. Modificaciones breves en la concentración de H + pueden ocasionar graves trastornos en el organismo, inclusive hasta la muerte del individuo.

Sabías que...

El riñón reabsorbe bicarbonato, logrando de este modo mantener el pH de la sangre dentro de sus valores fisiológicos normales (7.35 en la sangre venosa y 7.45 en la sangre arterial) 7.0 es el límite mínimo para la vida humana por algunos minutos y el límite máximo 7.8.

H C E P C 128

La creatinina (desecho metabólico nitrogenado) es otra sustancia que se elimina parcialmente por secreción. Muchos compuestos exógenos (medicamentos) son eliminados también en los túbulos, especialmente el proximal, donde se excretan estas y otras sustancias extrañas al organismo.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Como se ha visto, la orina, durante el trayecto por el riñón, se va concentrando por la gran reabsorción de agua y secreción de nuevas sustancias al lumen tubular. Tabla 1. Reabsorción tubular. Sustancia Filtrada

Cantidad

Reabsorción diaria

Eliminación

Agua

180 litros

178 - 178,5 litros

Sodio

579 g

576-574 g

3 - 5 g

99,5

Glucosa

180 g

180 g

0 g

100

Urea

54 g

27 g

27 g

50

1,5 - 2

% de reabsorción

litros

99

2.2 Mecanismo de contracorriente Este mecanismo opera para concentrar la orina y evitar una excesiva pérdida de agua a través de ella. El mecanismo de contracorriente se basa en las diferencias de permeabilidad de las ramas del asa de Henle. El asa descendente es permeable al agua, pero no a los solutos como el Na+, K +, Cl-, etc. Por lo tanto, el filtrado se concentra en solutos a medida que avanza por esta rama. En la rama ascendente, la permeabilidad se invierte, por tanto, no sale agua, pero sí lo hacen los solutos, que concentran el espacio intersticial. Este se vuelve hipertónico y extrae agua osmóticamente de los tubos colectores. Estos tubos en ausencia de hormona antidiurética (ADH) son impermeables al agua, por lo cual es imprescindible la acción de esta hormona para lograr concentrar la orina. 2.3. Composición de la orina El riñón filtra 180 litros de plasma en 24 horas. El proceso de reabsorción recupera 178,5 litros, es decir, queda un excendente de 1,5 litros de orina (diuresis normal). Esto pone de manifiesto la importancia de la reabsorción tubular, pues sin ella en aproximadamente 30 minutos nos deshidrataríamos. La orina es un líquido transparente, que lleva varias sustancias disueltas. Es de color amarillento por la presencia de un pigmento, el urocromo, producto de la degradación de la hemoglobina. Los 1.200 a 1.500 mL de orina excretada diariamente contienen unos 60 g de sólidos. La urea, proveniente de la desaminación de proteínas, constituye la mitad de esta cantidad. Otros solutos son el ácido úrico, que proviene de la degradación de los ácidos nucleicos, y la creatinina, proveniente del metabolismo muscular. Dentro de las sales presentes en la orina, la más importante es el cloruro de sodio (NaCl). También hay pequeñas cantidades de sulfato, fosfato, carbonato de potasio, calcio, magnesio y amonio. Tabla 2. Principales componentes de la orina. Componentes inorgánicos

Cloruro de sodio Potasio Ácido sulfúrico Ácido fosfórico Amoníaco Magnesio Calcio Otras sustancias Hierro

Componentes orgánicos 10 - 15 g 2 - 4 g 2 - 3 g 2 - 3 g 0.5 - 1 g 0.1 - 0.2 g 0.3 - 0.4 g 0.2 - 0.3 g 0.005 - 0.010 g

Urea Creatinina Ácido úrico Cuerpos cetónicos

20 - 30 g 0.8 - 1.2 g 0.6 - 0.8 g 0.04 g

H C E P C 129



Actividades

1. 2. 3. 4. 5.

Indica las funciones que cumple el túbulo renal. Averigua cómo se comprobó el proceso de secreción tubular. ¿Qué consecuencias tendrá sobre la presión de filtración una disminución de la presión arterial? Si una persona consume una dieta con alta cantidad de proteínas, ¿qué sustancia en la orina debería aumentar? Completa las siguientes oraciones a. El ácido úrico es el principal producto ______________ de ______________ y algunos reptiles. Deriva del catabolismo de ______________ . b. La úrea es un producto derivado del ______________ . c.

El cloruro de sodio junto con la ______________ es la sal más ______________ en la orina.

6. ¿Qué es y cuál es la función del aparato yuxtaglomelular?

2.4. Regulación hormonal El volumen de orina es regulado por la ADH (hormona antidiurética o vasopresina). Cuando la ingestión de líquido es escasa, el organismo comienza a deshidratarse, disminuye su volumen sanguíneo y aumenta la osmolaridad (aumento de solutos). Esto es detectado por los receptores del hipotálamo que estimulan la liberación de ADH por parte de la neurohipófisis. Además el hipotálamo activa la sensación de sed para aumentar la ingestión de agua (Fig. 7). Cuando la orina llega al tubo colector, se produce una nueva reabsorción de agua, regulada por la hormona antidiurética (ADH) o vasopresina liberada por la neurohipófisis. La falta de esta hormona determina una enfermedad denominada diabetes insípida. La secreción de ADH está en estricta relación con las necesidades del organismo. Si la sangre experimenta un aumento de osmolaridad (un aumento de solutos con respecto al agua), aumenta la secreción de ADH que actúa en el tubo colector estimulando la reabsorción de agua, lo que determina una mayor concentración de sales en la orina con respecto al agua.

Sabías que...

H C E P C 130

El riñón también produce hormonas, las cuales s on:  Eritropoyetina: Aumenta el ritmo de producción de glóbulos rojos.  Calciferol: Forma activa de la vitamina D. Su síntesis comienza en la piel, continúa en el hígado y termina en los riñones. Participa de la absorción de calcio y fósforo de los alimentos.  Renina: Frente a una disminución de la presión sanguínea, el aparato yuxtaglomerular detecta esta situación y libera renina, que a través de una serie de reacciones, estimula la acción de aldosterona que, a su vez, estimula la reabsorción de Na+ y agua, lo que ayuda a elevar la presión sanguínea.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Lo contrario ocurre cuando el organismo está en estado de sobrehidratación. Lo descrito permite inferir que el riñón cumple una importante función en la regulación del volumen circulante (volemia) y, por lo tanto, de la presión arterial, a través de la reabsorción de agua.

1.

Escasa ingestión de líquido 3.

2.

8.

Bajo volumen sanguíneo y aumento de la presión osmótica

Aumento del volumen sanguíneo y descenso de la presión osmótica

Receptores en el hipotálamo Reconocen la señal

Lóbulo posterior de la hipófisis

9. Inhibición

(vía receptores) 4.

Secretada por el lóbulo posterior de la hipófisis

Conducto colector Nefrona

Riñón 6.

Mayor reabsorción de agua 5.

Los conductos colectores de los riñones se hacen más permeables

7.

Menor volumen urinario

Figura 7. Regulación del volumen de orina por la ADH.

Otra hormona que actúa a nivel renal es la aldosterona, que estimula la reabsorción de Na+ en forma directa y de agua en forma indirecta. La aldosterona es liberada frente a una disminución de la concentración de sodio plasmático o frente a una disminución de la presión sanguínea, según muestra la Fig. 8. ↓ [Na+] pl. ↓ presión sanguínea Riñón

Angiotensinógeno

(producida en el hígado)

Renina

Angiotensina I

(decapéptido inactivo)

Convertasa (pulmón) Angiotensina II

(octapéptido activo)

↑ Presión

H C E P C

arterial

131

( + ) ↑Presión

arterial

Aldosterona ( ↑ Reabsorción Na+ )

Vasoconstricción periférica

Figura 8. Regulación de la presión arterial por aldosterona.



3. Vías urinarias a. Porción intrarrenal

La orina es conducida por los túbulos colectores hacia los cálices renales (menores y mayores), que confluyen para formar un saco en forma de embudo: la pelvis renal, que sale por el hilio, detrás de los vasos sanguíneos.

b. Porción extrarrenal • Uréteres: son dos tubos musculares que conectan la pelvis renal con la vejiga. Recorren un trayecto de

a 30 cm en el ser humano. Están constituidos por tres capas de tejido, que del interior al exterior son mucosa, capa muscular y capa adventicia. 25

Cuando se reúne una cierta cantidad de orina en la pelvis renal, esta se dilata y aumenta la presión en su interior. Estos hechos desencadenan una onda peristáltica descendente, que impulsa la orina hacia la vejiga. Estas ondas peristálticas aparecen en el hombre a un ritmo de 3 a 6 minutos y recorren el uréter en menos de un minuto. El uréter, al desembocar en la vejiga, penetra en su pared y sigue un corto trayecto de unos 3 cm aproximadamente en su interior. De esta forma, se evita el reflujo, ya que, durante el acto de orinar, la contracción vesical comprime también el uréter. •

Vejiga: es

un órgano muscular liso, en forma de esfera hueca. Su función es almacenar orina debido a su capacidad para adaptarse a los cambios de volumen.

Estructuralmente, está formada solamente por un músculo, el detrusor de la vejiga. En ella desembocan los dos uréteres, y, además, se origina otro conducto, la uretra , que lleva la orina al exterior. Estos tres orificios delimitan un triángulo, el trígono vesical.

Tapizamiento de la ve jiga llena

Tapizamiento de la vejiga vacía

Cuando la vejiga está vacía las células del epitelio transicional que tapizan sus paredes son redondeadas y están estrechamente unidas.

A medida que la vejiga se llena y dilata, las células del epitelio transicional se estiran y se vuelven delgadas y aplanadas.

Úreter

Úreter

Capa muscular Esfínter uretral H C E P C

La capa epitelial transicional está plegada

El epitelio transicional está estirado

Esfínter uretral

Vejiga vacía

Vejiga llena

Cuando la vejiga está vacía sus paredes son más gruesas. El epitelio transicional que cubre sus paredes es empujado en forma de plieges a medida que el músculo subyacente se contrae.

La vejiga se expande cuando se llena y sus paredes se hacen más finas; los plieges del epitelio se estiran. Cuando el esfínter muscular se relaja, la orina sale de la vejiga.

132

Figura 9. Vejiga.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� La vejiga tiene doble inervación, simpática y parasimpática, cuyas fibras se distribuyen profundamente en la musculatura. •

Uretra: conducto que se origina en la cara inferior de la vejiga. Su misión es llevar la orina hacia el exterior. En el varón sigue el trayecto del pene, y mide 14 a 16 cm. En la mujer es más corta ( 2 a 6 cm), y desciende en forma rectilínea hasta la vulva. Para ambos sexos, el orificio externo de la uretra se denomina meato urinario.

4. Reflejo de micción Es el proceso evacuador de la vejiga. El músculo liso que forma la vejiga urinaria tiene la propiedad de “acomodarse” a la distensión. De esta manera, aunque la vejiga aumenta de volumen va acumulando orina y la presión intravesical aumenta muy poco, porque sus fibras musculares se relajan pasivamente. Sin embargo, esta capacidad de acomodación tiene un límite: 400-500 mL. A partir de este volumen, la entrada de nuevas cantidades de orina determina incrementos considerables de presión. En la pared vesical existen receptores sensibles a la distensión, que son excitados cuando el volumen de orina sobrepasa los 400-500 mL. Los impulsos nerviosos que se inician en dichos receptores llegan a la región sacra de la médula espinal y excitan las neuronas parasimpáticas que contraen el músculo vesical (detrusor) y relajan el esfínter interno, que es un anillo muscular formado alrededor de un orificio de unión entre vejiga y uretra. En consecuencia, la contracción vesical se produce por mecanismos reflejos inducidos por distensión de las paredes por efecto del sistema nervioso parasimpático. Pero la orina no puede salir porque se lo impide el esfínter externo, que es un anillo muscular que se encuentra alrededor de la uretra por debajo de la vejiga. Este se encuentra subordinado a la voluntad y no se efectúa la micción hasta que voluntariamente no se relaje dicho esfínter, lo cual se realiza en respuesta al deseo de orinar.

Sabías que...

Si los riñones fallan, la muerte es rápida, por lo regular en menos de dos semanas. Los riñones son vulnerables a varios tipos de ataques. La diabetes es la principal causa de la insuficiencia renal, seguida de la hipertensión. Ambos desórdenes dañan a los capilares glomerulares. La sobredosis de analgésicos y las infecciones, en especial por bacterias intestinales que llegan al riñón a través de la uretra, también pueden dañar los riñones. La insuficiencia renal, por lo regular, se trata con hemodiálisis. Esta técnica opera sobre la base de un sencillo principio: las sustancias se difunden de áreas de más alta concentración hacia áreas de más baja concentración a través de membranas con permeabilidad selectiva. Este proceso recibe el nombre de diálisis. Cuando la sangre se filtra empleando este principio, el proceso se denomina hemodiálisis. Durante este proceso, la sangre del paciente se saca del cuerpo y se bombea a través de un tubo delgado construido con una membrana dializadora selectivamente permeable y suspendido en una solución dializante. Los poros de la membrana son demasiado pequeños para permitir el paso de elementos figurados y proteínas grandes de la sangre, pero sí pueden pasar moléculas pequeñas como azúcar, aminoácidos, sales y urea. La solución dializante se reemplaza de manera continua para mantener gradientes de concentración favorables para la difusión de solutos. Después de pasar a través del tubo de diálisis, la sangre purificada fluye de retorno al interior del cuerpo. El paciente debe permanecer conectado a la máquina durante 4 a 6 horas, tres veces por semana.

H C E P C 133



5. Alteraciones en la composición normal de la orina • Glucosuria: aparición de glucosa en la orina. Se debe a que la cantidad de glucosa sobrepasa la capacidad de los transportadores renales tubulares, siendo el exceso eliminado por la orina. Puede deberse a una dieta excesiva en carbohidratos o a problemas de tipo hormonal (diabetes mellitus). • Albuminuria: presencia de proteínas plasmáticas de gran tamaño en la orina. Esto indica que la membrana filtrante está dañada y no cumple eficazmente su función, por ejemplo: permite la filtración de albúmina. • Hematuria: aparición de sangre en la orina. Puede deberse a infecciones que afectan al riñón y/o a las vías urinarias.

6. Enfermedades del sistema nefrourinario a. Glomerulonefritis Es una inflamación del riñón que afecta a los glomérulos. Una de las causas más comunes es una reacción alérgica a toxinas producidas por bacterias estreptocócicas que han afectado otra parte del cuerpo, en especial la faringe. Los glomérulos llegan a estar tan inflamados y edematosos que la membrana de filtración permite que las células sanguíneas y proteínas entren al filtrado. Los glomérulos pueden sufrir daño permanente conduciendo a insuficiencia renal. b. Cálculos renales Se forman en la pelvis renal, cálices renales y vejiga urinaria. Son masas sólidas originadas por precipitación de ciertas sustancias (ácido úrico, oxalatos de calcio, fosfatos y otras sales). Los cálculos pueden ser causa de procesos patológicos de importancia; pueden provocar dolores intensos (cólicos), y pueden obstruir los conductos de los órganos en que se han formado. La obstrucción puede tener como consecuencia la atrofia del órgano, la inflamación de los conductos o la infección del órgano.

c. Insuficiencia renal Es la reducción o interrupción de la filtración glomerular. En la insuficiencia renal aguda (IRA), los riñones cesan de manera abrupta su función por completo (o casi por completo). La principal característica del IRA es que el flujo de orina se suprime, lo que en general se nota por oligouria, que es una excreción diaria de orina menor a 250 mL. Las causas son: menor volumen de sangre, disminución del gasto cardíaco, daño a los túbulos renales, algunos antibióticos, entre otros. La insuficiencia renal ocasiona edema debido a la retención de sal y agua; acidosis por la incapacidad de los riñones de excretar sustancias ácidas; incremento en la concentración de urea debido a la excreción renal deficiente de productos metabólicos de desechos; concentración elevada de potasio que puede conducir a paro cardíaco, entre otros efectos. H C E P C 134

- Insuficiencia renal crónica (IRC): Se refiere a una reducción progresiva y casi siempre irreversible en la filtración glomerular. La IRC puede ser resultado de glomerulonefritis crónica, pielonefritis, enfermedad por riñón poliquístico o pérdida de tejido renal por traumatismo.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� d. Atrofia renal

Puede llegar a tener importante repercusión sobre el organismo y ser causa de graves enfermedades. Puede deberse a la obstrucción de las vías urinarias provocando la dilatación de la pelvis y de los cálices, por la presión que ejerce la orina en ellas al no poder ser evacuada, comprimiendo cada vez más el tejido renal.

e. Pielonefritis

Inflamación de la pelvis renal, causada generalmente por agentes bacterianos, como E. coli, que luego de proliferar en la vejiga (la orina se comporta como caldo de cultivo) ascienden por los uréteres.

f. Infección urinaria

Contaminación en la vías urinarias por agentes patógenos, que pueden causar signos como dolor y ardor al orinar. Se manifiesta preferentemente en las mujeres por la corta longitud de la uretra.

g. Necrosis renal

Puede ser el resultado de anoxia (falta de oxígeno) o puede deberse a la acción de sustancias tóxicas sobre el tejido renal. La anoxia puede producirse por obstrucción de la arteria que lleva sangre al riñón.

H C E P C 135



Actividades

1. ¿Qué glándulas endocrinas se ubican sobre el polo superior de ambos riñones? 2. ¿Qué relación funcional existe entre esas glándulas y el riñón? 3. ¿Qué rol cumplen la aldosterona y la hormona ADH (antidiurética) a nivel del nefrón? 4. Explica la relación funcional entre la hormona aldosterona y la hormona-enzima conocida como renina. 5. Completa el siguiente cuadro, identificando el proceso con la estructura que corresponde. Estructura Proceso

Reabsorción de agua

Sitio efector de la

y electrolitos

ADH

Secreción y absorción

Filtración glomerular

Corpúsculo de Malpighi

Túbulo proximal

Túbulo distal

Tubo colector

6. Defina los siguientes conceptos: a. Glucosuria: b. Hematuria: c. Diuresis: d. Anuria: 7. Verdadero o falso a. _____

Entre las funciones del riñón, figura la secreción de sustancias con acciones específicas, como es el caso de la eritropoyetina y aldosterona.

b. _____ El filtrado glomerular tiene una composición casi idéntica a la del plasma, excepto por sus proteínas. c.

_____ El volumen de filtrado glomerular en una persona normal alcanza los 125 mL/min, es decir, alrededor de 180 L/día.

d. _____ Se podría afirmar que la reabsorción pasiva es, en algunos casos, secundaria a la reabsorción activa.

H C E P C 136

e.

_____ La glucosuria se debe a que la glucosa se secreta por los epitelios tubulares.

f.

_____ La presencia de glucosa en la orina indica que se ha disminuido su utilización por las células.

g.

_____ La disminución de la PO2 es el principal estímulo para que se secrete renina.



1.

Aldosterona: es una hormona que estimula la reabsorción de Na+ en forma directa y de agua en forma indirecta. Esta hormona es sintetizada en las glándulas suprarrenales y se libera en respuesta a una disminución de la concentración plasmática de sodio, o bien frente a una disminución de la presión sanguínea.

2.

Antidiurética (ADH): hormona sintetizada a nivel de hipotálamo y que se secreta por la neurohipófisis. Se secreta en respuesta a una disminución del volumen de agua en el organismo, o bien una disminución de la presión sanguínea. Esta hormona aumenta la reabsorción de agua a nivel renal.

3.

Excreción: es la eliminación de los productos de desecho del metabolismo celular. Corresponden a sustancias que si se acumulan en el cuerpo, alteran la homeostasis, por ejemplo, la urea, el ácido úrico, el CO2.

4.

Filtración glomerular: corresponde al primer paso en la formación de orina. A medida que la sangre recorre el riñón, una parte de ella filtra hacia la cápsula de Bowman, primera parte del nefrón. El líquido filtrado es similar al líquido intersticial y se denomina ultrafiltrado. El ultrafiltrado contiene agua y todos los solutos pequeños de la sangre, pero no proteínas ni células sanguíneas.

5.

Homeostasis: estado de equilibrio dinámico del ambiente interno.

6.

Nefrón: unidad estructural y funcional del riñón, encargada de la formación de orina.

7.

Reabsorción tubular: corresponde al segundo paso en el proceso de formación de orina. Se refiere a la recuperación de sustancias desde el ultrafiltrado de tal manera que aquellos elementos útiles que filtraron vuelven a la sangre. Por ejemplo, si no ocurriera la reabsorción, en un día se perderían 180 litros de agua.

8.

Reflejo de micción: respuesta refleja elaborada a nivel medular, destinada a vaciar la vejiga urinaria cundo esta se encuentra llena de orina.

9.

Secreción: transporte de una sustancia hacia el exterior de la célula, la cual puede tener un carácter útil (hormonas, enzimas) o no (desechos).

10.

Secreción tubular: tercer paso en la formación de orina. Se refiere al paso de sustancias a través del epitelio tubular. Este proceso retira algunas sustancias de la sangre peritubular para incorporarlas hacia la orina. Es un mecanismo que sirve para regular el pH sanguíneo.

H C E P C 137

4


� l u t í p a C

H C E P C 138

r e a b s o F r i c l i r ó t n a , c i s ó e c n , r e c i ó n

F o r m a c i ó n d e o r i n a

c o n t r S a i c s o t e r r m i e n a t e d e A D H

R e g d u e l a a g c ó u i a n c d o e r l p v o o r u a l l m e n

S i s t e m n a a r a e l n d i o n s a t - e r a o n n g a i o t e n s i -

R e g u l a c s a i n ó g n u d í n e l e a a p r e s i ó n

R e n i n a , c a l c i f e r o l

P r o d u c c i ó n d e h o r m o n a s

á c i d E o x c p e r o c r i ó l a n o d r e i n a

R e g u l a e c l i e c ó n t r o d l í e l t i c e o q u i l i b r i o

C é l u l a

l o m E s e l i m n t a i t ú i b n r r o o a i c g l c o e i i s ó m n y a o n a d , d m o e e s o s p d n ( e u e s i r c a e e i c a a c h o , l ) á m o s c e n d i d t e o e l

l a f u n c i ó n q u e t i e n e e s . . .

V í a s u r i n a r i a s

E d l i e m o i r n a i n c a i ó n

R i ñ o n e s

f o r m a d a p o r . . .

N e f r o u r i n a r i o

C n é l u e l f r ó a n s d e l

e n C d o é c l r u l i n a a s s

T e j i d o

E n d o c r i n o

s p E p i m l a i e p n t l o l i e o

c E ú p b i t i c e i o l o

Ó r g a n o

U r e t r a

u V r i n e a j i r g i a a

R i ñ o n e s

S i s t e m a

O r g a n i s m o


Capítul� 5 Sistem� inmun�




Identificar los componentes del sistema inmunitario.



Definir los conceptos de inmunidad innata y adaptativa.



Diferenciar inmunidad innata y adquirida.



Comprender el mecanismo de acción de la inmunidad humoral y celular.



Definir los conceptos de tolerancia y selección clonal.


Sistem� inmun�

Introducción Los animales tienen mecanismos de defensa interna que los protegen contra organismos causantes de enfermedades, los cuales ingresan al cuerpo a través del aire, alimento, agua, tierra y por medio de lesiones en la piel. Entre los microorganismos que causan enfermedades (denominados patógenos) se incluyen virus, bacterias, hongos y protozoos. La defensa interna depende de la capacidad de un organismo de distinguir entre lo propio y lo ajeno. Tal reconocimiento es posible porque los organismos son bioquímicamente únicos. Las células tienen proteínas de superficie que difieren de las células de otra especie e incluso de las de otros miembros de la misma especie. Un animal reconoce sus propias células e identifica como ajenas las de otros animales. Los agentes patógenos producen macromoléculas que el cuerpo reconoce como ajenas o extrañas, denominadas antígenos. Una sola bacteria puede tener de 10 a más de 1.000 macromoléculas distintas en su superficie. También es posible que secreten macromoléculas, algunas de las cuales son tóxicas para la mayor parte de los organismos. Cuando un patógeno invade un animal, sus macromoléculas características estimulan los mecanismos de defensa del animal. El término inmunidad deriva del latín inmunitas, que se refiere a la exención de tareas a los senadores romanos durante su ejercicio. Históricamente, el término significa protección contra la enfermedad, más específicamente contra la enfermedad infecciosa. La inmunología, que es el estudio de los mecanismos de defensa interna, es uno de los campos de investigación biomédica en más rápido cambio y más fascinante en la actualidad. Una reacción inmunitaria o inmunorreacción implica el reconocimiento de macromoléculas extrañas y una respuesta encaminada a eliminarlas. La inmunidad involucra dos clases de mecanismos defensivos: los mecanismos de defensa inespecíficos o inmunidad innata y los mecanismos de defensa específicos o inmunidad adaptativa o adquirida. Los mecanismos de defensa inespecíficos o inmunidad innata dan protección general contra los patógenos, impidiendo la entrada al organismo de la mayor parte de los gérmenes que logran superar las defensas externas. Como ejemplo podemos considerar la piel y sustancias químicas como las lágrimas, los jugos digestivos, la fagocitosis de los leucocitos, etc. Los mecanismos de defensa específicos o inmunidad adaptativa están destinados de manera exclusiva a combatir macromoléculas específicas, propias de cada agente patógeno. Estas reacciones están dirigidas hacia un tipo específico de sustancia extraña o agente patógeno que ha penetrado en el cuerpo del animal. La inmunidad adaptativa se puede dividir en dos clases: activa y pasiva. En la inmunidad activa los anticuerpos son formados por el mismo organismo que es afectado por el agente patógeno, mientras que en la inmunidad pasiva, los anticuerpos son sintetizados por otro organismo que ha reaccionado contra el patógeno. La inmunidad adaptativa activa se divide a su vez en natural y artificial. La primera apunta a los anticuerpos formados producto de la enfermedad que causa el patógeno y la segunda se orienta a la vacunación, donde se generan anticuerpos propios, pero sin la necesidad de la enfermedad. La inmunidad adaptativa pasiva también se puede dividir en natural y artificial. La natural se refiere a los anticuerpos entregados por la madre, por ejemplo, a través de la placenta y el calostro, y la artificial se refiere a los sueros, donde otro organismo genera los anticuerpos que constituyen un preparado medicamentoso.

H C E P C 140

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Los tipos de inmunidad se resumen en el siguiente esquema:

Inmunidad

Innata

Adaptativa

por factores genéticos

Activa

Pasiva

Anticuerpos propios

Por transferencia de anticuerpos exógenos

Natural

Exposición a agentes infecciosos (enfermedad)

Artificial Vacunación

Natural

Artificial

Anticuerpos maternos

Anticuerpos de otro organismo

Figura 1. Tipos de inmunidad.

1. Sistema inmunitario El sistema inmunitario se activa cuando un agente patógeno logra sobrepasar las barreras externas y alcanza cualquier lugar del organismo generando una infección. Las funciones del sistema inmunitario son: • • • •

Detectar la presencia de sustancias o patógenos en el organismo. Eliminar los patógenos del organismo. Prevenir una nueva infección por los mismos patógenos. Eliminar células viejas o defectuosas (tumorales).

Componentes del sistema inmunitario:

1.1 Órganos linfoides Los órganos linfoides o inmunes incluyen a la médula ósea roja, el timo, los ganglios linfáticos y el bazo. •

La médula ósea roja se localiza en el interior de las costillas, del esternón, de los huesos de la pelvis y de los huesos largos. En su interior encontramos las células hematopoyéticas, que dan origen a las células sanguíneas, entre ellas los leucocitos.

•

El timo es un órgano pequeño situado en la parte central superior del tórax. Es el lugar donde se almacenan y maduran los linfocitos provenientes de la médula ósea roja, especialmente los linfocitos T.

•

Los ganglios linfáticos son pequeños engrosamientos de forma redondeada que se ubican en todo el cuerpo conectados por los vasos linfáticos. El interior de los ganglios linfáticos está revestido por macrófagos y es el lugar donde también se producen linfocitos.

H C E P C 141

•

El bazo es un órgano plano ovalado situado en la parte superior izquierda del abdomen. En su interior se localizan numerosos folículos linfoides (agrupaciones celulares) que contienen linfocitos encargados de


Sistem� inmun�

destruir los patógenos que han alcanzado el sistema circulatorio sanguíneo o linfático. En el bazo también se destruyen los eritrocitos viejos o anormales.

1.2 Tejido linfoide

El ducto torácico entra en una vena que desemboca en la vena cava

Tonsila (amígdala) Vena cava superior

Timo

Se encuentra distribuido por todo el organismo, especialmente en zonas que pueden ser puerta de entrada para los patógenos, como el anillo de Waldeyer, situado a la entrada del sistema respiratorio y digestivo. En el intestino se encuentran las placas de Peyer, que detectan y destruyen los patógenos que superaron la barrera externa de los jugos gástricos.

1.3 Células inmunitarias Las células inmunitarias son células de la médula ósea que se diferencian para dar lugar a las diferentes clases de células sanguíneas como leucocitos, eritrocitos y trombocitos. En este capítulo estudiaremos solo los leucocitos. Tipos de leucocitos:

Corazón Bazo Ducto torácico Vasos linfáticos Ganglios linfáticos

Válvula que evita retroflujo

a. Leucocitos granulares Linfocitos

También llamados granulocitos o células polimorfonucleares. Se caracterizan por tener grandes núcleos lobulados y gránulos bien diferenciados en su citoplasma. Existen tres tipos de leucocitos granulares:

Figura 2. Órganos linfoides. Frotis sanguíneo - Leishman

•

B1

Neutrófilos: su misión es fagocitar elementos extraños que luego son eliminados por los numerosos lisosomas que se encuentran en su citoplasma. Tienen la capacidad de atravesar la pared de los vasos sanguíneos, la cual se denomina diapédesis. Eosinófilo

•

Eosinófilos: al igual que los neutrófilos salen de los vasos y fagocitan patógenos. Actúan contra enfermedades causadas por parásitos.

B2 Neutrófilo

•

Basófilos: en el citoplasma de estas células se encuentran gránulos, los cuales contienen en su interior histamina, una sustancia que dilata los vasos sanguíneos y hace más permeables los capilares. Los basófilos liberan histamina en tejidos lesionados y en reacciones alérgicas.

Eosinófilo

Figura 3. Eosinófilos y neutrófilos. b. Leucocitos agranulares (o agranulocitos) H C E P C 142

Se caracterizan por tener un núcleo con forma redondeada o con forma de riñón. No presentan gránulos en su citoplasma. Existen dos tipos de leucocitos agranulares:


Monocitos: se distribuyen y sitúan en el interior de los tejidos, donde se transforman en macrófagos. Tienen la función de fagocitar las sustancias extrañas que penetran en el organismo. Son especialmente abundantes en el hígado, los pulmones, la piel, el sistema nervioso y los huesos. Algunos macrófagos pueden actuar como células presentadoras de antígenos y colaborar con los linfocitos en la actividad inmunitaria. Cuando un macrófago fagocita un agente patógeno, la mayor parte de los antígenos bacterianos son degradados por enzimas lisosómicas. Algunos fragmentos de estos antígenos se unen a un determinado tipo de molécula de identidad o propia y son exhibidos en la superficie del macrófago. El complejo antígeno extraño-molécula de identidad activa determinados linfocitos.

Ojo con

En el timo se encuentran los precursores de los linfocitos T que pasan por un proceso complejo de diferenciación, selección y maduración. La diferenciación implica, entre otras cosas, adquirir la capacidad para sintetizar diferentes glucoproteínas de membrana, que determinan tanto su función como su especificidad antigénica. El primer tipo de glucoproteína de membrana existe en una de dos formas, conocidas como CD4 y CD8. Las células T de ayuda portan la molécula CD4 sobre su superficie, mientras que las células T citotóxicas y T supresoras portan la molécula CD8. La capacidad de los linfocitos T para desempeñar sus funciones depende de otro tipo de molécula de superficie conocida como receptor del linfocito T, que consiste en dos cadenas d e polipéptidos. Cada una tiene regiones variables y constantes codificadas por genes que, al igual que los de los anticuerpos, se reordenan en el curso de la diferenciación. El resultado es una enorme diversidad de linfocitos T, cada uno de los cuales lleva receptores de células con una sola especificidad antigénica. Los receptores de células T reconocen y se unen a antígenos determinados genéticamente que se encuentran en la superficie d e las propias células del cuerpo.

• Linfocitos: se desarrollan y maduran en los órganos linfáticos, incluyendo la médula ósea, el timo, entre otros. Los tres tipos principales de linfocitos son: -

Linfocitos T: se originan en la médula ósea a partir de células madre. En su camino hacia los tejidos linfáticos, los futuros linfocitos T se detienen en el timo para su procesamiento. Se han identificado varios tipos y subtipos de estos linfocitos, los cuales se estudian en el siguiente cuadro.

Tabla 1. Linfocitos T.

Tipo de linfocito T

Funciones

Linfocitos T citotóxicos o asesinos (T8)

Reconocen y destruyen células con antígenos extraños en su superficie, por ejemplo, células infectadas por patógenos, células cancerosas y los injertos de tejido ajeno.

Linfocitos T de ayuda, ayudantes o auxiliadores (T4)

Secretan sustancias conocidas como citocinas, que activan o favorecen las respuestas inmunes. Algunas influyen en el desarrollo de los linfocitos T, otras en los linfocitos B y otras lo hacen en la activación de los macrófagos.

Linfocitos T supresores

A través de la secreción de citocinas disminuyen la actividad de los linfocitos tanto B como T, así como de los macrófagos. Regulan la respuesta inmune.

H C E P C 143


Sistem� inmun�

-

Linfocitos B: estos linfocitos se producen y maduran en el hígado fetal y en la médula ósea adulta. Cada linfocito B presenta un receptor de membrana que se une a un tipo específico de antígeno. Al activarse frente a la presencia de un determinado antígeno, se dividen con rapidez para formar clones de células idénticas. Algunas de estas células se diferencian en células plasmáticas, las cuales producen anticuerpos específicos, y otras se diferencian en células de memoria, que continúan produciendo pequeñas cantidades de anticuerpo después de superada la infección.

-

Linfocitos citolíticos naturales (células “asesinas naturales” o células NK, del inglés “natural killer cells ”): son grandes linfocitos que se originan en la médula ósea. Su función es destruir células tumorales y una amplia variedad de células infectadas por patógenos como virus, bacterias y algunos hongos. Liberan citocinas, así como enzimas conocidas como perforinas y granzimas, que destruyen células blanco.

Células madre en la médula ósea

Los linfocitos B maduran en la médula ósea Procesamiento en el timo

Monocitos

Células NK

Macrófagos

Linfocitos T

Presentación de antígeno

ó n i c a r p e o o C

Emigración a ganglios linfáticos Estimulación por antígeno

Células de memoria

Linfocitos T citotóxicos

Linfocitos T de ayuda

Inmunidad mediada por células

Figura 4. Células del sistema inmune.

H C E P C 144

Linfocitos B

Emigración a ganglios linfáticos Estimulación por antígeno

Células plasmáticas

Inmunidad mediada por anticuerpos

Células de memoria


Sabías que...

En el timo, los linfocitos T que reaccionan a antígenos propios (autoantígenos) experimentan apoptosis o muerte celular programada, la cual representa una forma de selección negativa. Los inmunólogos estiman que el 90% de los linfocitos T en desarrollo experimenta selección negativa, los restantes se diferencian y salen del timo para ir a residir a otros tejidos linfáticos o para montar inmunorreacciones en tejidos infectados. De esta forma, al seleccionar solo linfocitos T apropiados, el timo asegura que dichas células puedan distinguir los antígenos propios de los ajenos.

1.4. Moléculas inmunitarias Son proteínas que participan en la defensa del organismo destruyendo agentes patógenos, así como también activando la acción de otras células inmunitarias. Tipos •

Sistema del complemento: es un conjunto de 20 proteínas (sintetizadas en el hígado) del plasma sanguíneo y de las membranas plasmáticas que normalmente están inactivas. Al activarse complementan ciertas reacciones inmunitarias como las inflamaciones y alergias; así como también desencadenan la destrucción de células infectadas.

• Anticuerpos: son un grupo de proteínas que se encuentran en la sangre y en el líquido extracelular, también se conocen como inmunoglobulinas. Las inmunoglobulinas son sintetizadas por los linfocitos B ante la presencia de partículas extrañas en el organismo. La acción de las inmunoglobulinas se basa en el reconocimiento de unas moléculas características de los patógenos, los antígenos. Un antígeno consiste en una proteína que posee una secuencia de aminoácidos específica que constituye un determinante antigénico o epítopo. Estos aminoácidos dan a parte de la molécula de antígeno una forma específica que puede ser reconocida por un anticuerpo o receptor de linfocito T. Un anticuerpo o inmunoglobulina típico es una molécula en forma de Y, donde los dos brazos de la Y se unen con el antígeno. Esta forma permite al anticuerpo combinarse con dos moléculas de antígeno, formando los complejos antígeno-anticuerpo. La cola de la Y interactúa con las células del sistema inmunitario, tales como macrófagos, linfocitos. La molécula de anticuerpo consta de cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas largas idénticas llamadas cadenas pesadas y dos cadenas cortas idénticas llamadas cadenas ligeras. Cada cadena tiene un segmento constante (C) y uno variable (V). El segmento variable o región V posee una secuencia única de aminoácidos. En los receptores de los linfocitos B, la región variable de la inmunoglobulina sobresale de la célula, mientras que la región constante ancla la molécula a la célula. Se puede realizar la siguiente analogía: la región V es la parte de una llave única para un antígeno específico, la cerradura.

H C E P C 145


Sistem� inmun�

La unión de antígeno y anticuerpo activa varios mecanismos de defensa: 1.

2. 3.

Desactivación del patógeno o su toxina, por ejemplo, perdiendo capacidad de unión a la célula huésped. Estimulación de la fagocitosis del patógeno (opsonización). Activación del sistema del complemento. Determinantes antigénicos

Sitios de unión a antígeno

Región V

Cadena ligera

Región C Cadena pesada Antígeno

Anticuerpo

ACCIONES Neutraliza al patógeno Incrementa la fagocitosis Activa el complemento Recubre la superficie del patógeno

Mayor fagocitosis

Estimula a los mastocitos para que liberen histamina

Mayor inflamación

Atrae macrófagos

Mayor fagocitosis

Destruye al patógeno

Figura 5. Unión antígeno-anticuerpo.

Sabías que...

Existen 5 clases de inmunoglobulinas (Ig ): •

• • • •

H C E P C 146

•

Ig G: es la más abundante y protege contra bacterias y virus al intensificar la fagocitosis, neutralizar las toxinas y activar al sistema del complemento. Es la única clase de anticuerpos que cruza la placenta. Ig M: activa al complemento y provoca la aglutinación y lisis de patógenos. En el plasma, los anticuerpos anti a y anti b (asociado a los grupos sanguíneos) son también del tipo Ig M. Ig A: brinda protección localizada en las mucosas contra bacterias y virus. Se encuentra principalmente en el sudor, lágrimas, saliva, moco, leche y secreciones gastrointestinales. Ig D: activa los linfocitos B. Ig E: se localiza en las células cebadas y basófilos. Participa en reacciones alérgicas y además brinda protección contra gusanos parasitarios.

Citocinas, citoquinas o interleucinas: son sustancias proteicas de pequeño tamaño, que estimulan o inhiben diversas funciones celulares normales. Algunas estimulan la proliferación de células madre sanguíneas en la médula ósea. Otras regulan las actividades celulares que participan en las defensas inespecíficas, por ejemplo, la interleucina 2, o factor de crecimiento de células T, es producido por los linfocitos T ayudantes para coestimular la proliferación de linfocitos T citotóxicos, así como la de linfocitos B. También activan las células asesinas naturales (células NK).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 2. El reconocimiento reconocimiento de lo propio La capacidad del sistema inmunitario de los vertebrados de distinguir lo propio de lo extraño depende en gran medida de un grupo de proteínas de superficie celular conocido como antígenos MHC. Estos antígenos son codificados por un grupo de genes estrechamente relacionados que recibe el nombre de complejo mayor de histocompatibilidad (major histocompatibility complex, MHC ). En el ser humano, el MHC se denomina grupo de antígenos leucocitarios o grupo HLA (human leukocyte antigen). Estos genes son polimórficos, es decir, variables, existiendo en la población múltiples alelos. Por lo tanto, las l as proteínas que codifican suelen diferir de un individuo a otro con tantas combinaciones posibles que no es probable que dos personas, a menos que sean gemelos idénticos, tengan las mismas proteínas MHC en sus células. Cuanto más relacionados estén dos individuos, tanto más genes MHC tienen en común. Por ello, el MHC es una especie de huella dactilar bioquímica. El MHC se divide en tres grupos de genes que codifican distintos conjuntos de proteínas. Estas proteínas difieren en su distribución en los tejidos y en su estructura química. Los antígenos de MHC clase I se encuentra en las células de todo el cuerpo y son esenciales en la identificación de las células enfermas por parte de los linfocitos T citotóxicos. Los MHC de clase I se unen a antígenos extraños extraños producidos dentro de las células (por (por ejemplo, por virus), formando complejos moleculares que exhiben en la superficie celular. celular. Los antígenos MHC clase II se encuentran en la superficie de los macrófagos y de los linfocitos B. Son esenciales en la presentación de los antígenos extraños a las células T de ayuda que, a su vez, son esenciales para la activación y proliferación de los linfocitos B y de las células T citotóxicas.

Actividades

1. Define los siguientes términos: •

Inmunidad:

•

Antígeno:

•

Anticuerpo:

•

Inmunidad adaptativa activa natural:

•

Inmunidad adaptativa activa artificial:

•

Inmunidad adaptativa pasiva natural:

•

Inmunidad adaptativa pasiva artificial:

2. ¿Cuáles son las principales ventajas y desventajas de poseer poseer autoantígenos autoantígenos (MHC)? ¿Cuáles serían serían las consecuencias consecuencias de no tenerlos?

3. Indica los principales elementos elementos que conforman conforman el sistema inmune.

H C E P C 147


Sistem� inmun�

3. Mecanismos de defensa inespecíficos: inmunidad innata La inmunidad innata incluye todos aquellos mecanismos que posee el organismo para combatir a los diferentes agentes patógenos antes de que ocurra la infección. a.

Barreras externas

Tabla 2. Función de las barr barreras eras externas. Barreras externas

s a c i n á c e M

s a c i m í u Q

s a c i g ó l o i B

Función

Capa externa de la piel (epidermis)

Las células muertas de la superficie de la epidermis forman una capa en la que quedan adheridos microorganismos microorganismos y virus. Con la descamación de esta capa, los patógenos se desprenden.

Cerumen y pelos

Retienen los cuerpos extraños en el oído externo, lo que impide su penetración en el oído medio e interno.

Moco de la mucosa respiratoria

Los patógenos quedan atrapados en el moco y los cilios de las células superficiales provocan la tos y los estornudos que ayudan a expulsarlos.

Sudor y sebo de la piel

Forman una capa ácida y grasa sobre la piel que impide el desarrollo de agentes patógenos.

Saliva

Este líquido contiene lisozima, una enzima que impide el desarrollo de agentes patógenos.

Lágrimas

Contienen una enzima conocida como lisozima, que impide el desarrollo de agentes patógenos

Jugos gástricos

El ácido clorhídrico de este jugo destruye destruye a los agentes agentes patógenos. patógenos.

Bacterias de la flora intestinal

Ocupan de manera natural el intestino y cuando se establece una relación de competencia con un agente patógeno, habitualmente presentan ventaja e impiden el desarrollo de este.

Bact Bacter eria iass de la la flora flora vag vagin inal al

Ocup Ocupan an de de mane manera ra nat natur ural al la la muco mucosa sa vag vagin inal al e imp impid iden en el el desa desarr rrol ollo lo de age agenntes patógenos por competencia.

Actividades

1.

Identifica a qué qué barrera barrera corresponde cada estructura.

Barrera me mecánica

Barrera qu química

Barrera bi biológica

Piel Mucus Bacterias de la flora intestinal Saliva Lágrimas Cerumen y pelos

2. H C E P C 148

Explica el mecanismo de acción de las las lágrimas, la saliva, las bacterias de la flora intestinal y la mucosa respiratoria. respiratoria.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� b. Sistema del complemento

Constituye un mecanismo molecular del sistema inmune innato que induce la destrucción de patógenos. Este consiste en más de 20 proteínas presentes en el plasma y otros líquidos corporales. En condiciones normales, estas proteínas son inactivas hasta que el organismo se expone a un antígeno. La activación del complemento consiste en una cascada de reacciones donde cada componente actúa sobre el siguiente de la serie. Las proteínas del complemento pueden ser activadas contra cualquier antígeno y su acción es inespecífica. Unas vez activadas emprenden diversas acciones: -

Algunas destruyen la pared del patógeno. Otras recubren recubren los patógenos para facilitar su fagocitosis fagocitosis (macrófagos (macrófagos y neutrófilos), neutrófilos), proceso proceso llamado opsonización. Otras más atraen linfocitos al sitio de la infección. Provocan Provocan la inflamación estimulando la liberación de histamina.

c. Interferones

Son proteínas producidas por células infectadas por virus, tales como linfocitos, macrófagos y fibroblastos. Su función principal es estimular la síntesis de proteínas proteínas antivirales, que interfieren con con la replicación viral, en las células vecinas no infectadas. d. Células de la inmunidad innata

Si los patógenos superan las barreras físicas y químicas, el organismo dispone de otra línea de defensa representada por las células con capacidad fagocítica. Dentro de ellas encontramos a los macrófagos, los neutrófilos, eosinófilos, basófilos y las células NK. La acción de estas células la podemos apreciar a través del siguiente párrafo y esquema representativo.

1

2

Monocito circulante 3

Tejido

4

Bacterias Macrófago 5

Las bacterias ingresan a los tejidos produciendo destrucción de estos con lo cual se liberan sustancias que atraen a los Figura 6. Unión de células de inmunidad innata. glóbulos blancos (1). Esto genera un fenómeno conocido como quimiotaxis (2), donde los leucocitos se mueven en dirección del estímulo que generan las mismas bacterias. Los leucocitos que viajan por la sangre, que corresponde en este caso a los monocitos, deben pasar hacia los tejidos atravesando los vasos sanguíneos (diapédesis) (3). Luego de pasar a los tejidos los monocitos se transforman en macrófagos. macrófagos. Para aumentar aumentar la afinidad entre estos leucocitos y los patógenos, actúan las proteínas del complemento generándose la opsonización (4), con lo cual la fagocitosis (5) se hace más efectiva. El citoplasma del macrófago posee numerosos lisosomas que se unen a las vesículas de endocitosis que contienen a las bacterias ingeridas, con lo que se eliminan finalmente los potenciales agentes patógenos. Los macrófagos y los neutrófilos tienen la capacidad de eliminar patógenos a través del proceso de fagocitosis por lo que también se llaman fagocitos.

H C E P C 149


Sistem� inmun�

e. Inflamación

Es un mecanismo inespecífico, de tal forma que la respuesta de un tejido a una cortadura es similar a la que ocurre con quemaduras, exposición solar, invasiones bacterianas o virales, etc. Inmediatamente después de que ha ocurrido el daño tisular, los vasos sanguíneos se vasodilatan y se vuelven más permeables. La vasodilatación permite que fluya más sangre hacia al área lesionada, mientras que la permeabilidad incrementada posibilita que salgan fácilmente de los vasos sanguíneos compuestos, como anticuerpos, proteínas de coagulación y fagocitos. El flujo sanguíneo incrementado también ayuda a extraer de la zona lesionada compuestos tóxicos que liberan los patógenos invasores y las células muertas. f. Fiebre

Es un signo inespecífico, como respuesta a la acción de un agente patógeno. Corresponde a la temperatura corporal anormalmente alta y se presenta cuando se ajusta el termostato hipotalámico, producto de la acción de citocinas como la interleucina 1. La temperatura corporal alta intensifica el efecto de los interferones, inhibe la proliferación de ciertos patógenos y acelera las reacciones que facilitan la reparación de tejidos. Por tanto, un período corto de fiebre ligera ayuda a acelerar la recuperación.

Actividades

H C E P C 150

1.

Describe de una forma forma general la secuencia de eventos dados por la inmunidad innata cuando ingresa, ingresa, a través de nuestra piel, un microorganismo patógeno.

2.

Indica los principales principales elementos que que conforman conforman la inmunidad inmunidad innata.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 4. Mecanismos de defensa específicos: específicos: inmunidad adaptativa Mientras los mecanismos mecanismos de defensa inespecíficos inespecíficos destruyen patógenos e impiden impiden que la infección se disperse, el organismo moviliza sus mecanismos de defensa específicos. Se requieren varios días para activar inmunorreacciones específicas, pero una vez montadas son extremadamente extremadamente eficientes. Los tipos principales de inmunidad específica son la mediada por anticuerpos (humoral) y la mediada por células (celular). La inmunidad mediada por anticuerpos es una forma de arma química, mientras que la mediada por células produce “guerreros” celulares.

4.1 Inmunidad Inmunidad humoral Los linfocitos B están B están encargados de este tipo de inmunidad. Un linfocito B es capaz de producir muchas copias de un anticuerpo específico (clonación). Los anticuerpos actúan como receptores en la superficie celular y se pueden unir a un antígeno específico. Esta unión activa al linfocito B (Fig. 7). La activación del linfocito B es un proceso complejo, donde participan linfocitos T y células presentadoras de antígenos (macrófagos y células dendríticas). El proceso comienza con la presentación que se hace del antígeno por parte de macrófagos o células dendríticas.( 1)

Activación de los linfocitos B Bacteria Antígeno

Bacteria

Lisosoma Antígeno Complejo antígeno - MHC

CPA

Linfocito B 1

Una célula presentadora de antígenos (CPA) degrada el antígeno y lo exhibe en combinación con MHC

Un linfocito B interactúa de manera independiente con el antígeno extraño en la superficie de una bacteria

Citocinas

CPA

Linfocito T de ayuda

2

Receptor

Linfocito T de ayuda es activado


Antígeno extraño

Linfocito B Citocinas

3

División celular

Un linfocito B es activado por un linfocito T de ayuda

Figura 7. Respuesta inmune humoral.

H C E P C 151


Sistem� inmun�

Este antígeno se presenta junto a moléculas MHC en la superficie celular. Este complejo antígeno – molécula MHC entra en contacto con los linfocitos T y ambas células intercambian señales químicas, por ejemplo, el macrófago libera interleucina 1 (IL-1) que estimula a los linfocitos T de ayuda ( 2). Luego el linfocito T de ayuda funciona como una célula presentadora de antígenos para el linfocito B, el cual resulta activado (3). Una vez activado el linfocito B aumenta de tamaño, para luego dividirse por mitosis, de la cual resulta una línea de clonación de células idénticas. Esta división celular en respuesta a un antígeno específico se conoce como selección clonal. De acuerdo con este concepto, cada linfocito y su línea de clonación producen anticuerpos específicos contra un antígeno específico. Este conjunto de linfocitos clonados pueden diferenciarse de dos maneras. Una de ellas es transformándose en células plasmáticas que secretan el tipo específico de anticuerpos para el antígeno. Estas células plasmáticas no abandonan los ganglios linfáticos, sino que solo liberan los anticuerpos, que son transportados hasta la zona infectada. La otra opción es convertirse en linfocitos B de memoria. En estas células se activa un gen de supervivencia que les permite escapar a la muerte programada (apoptosis), que es el destino final de los linfocitos B (Fig. 8). Las células de memoria continúan viviendo y producen pequeñas cantidades de anticuerpo, aun después de que se ha superado la infección. Este anticuerpo pasa a formar parte del arsenal químico del organismo. Si el mismo patógeno ingresa otra vez en el cuerpo, el anticuerpo reaparece de inmediato para iniciar su destrucción. Al mismo tiempo son estimuladas células de memoria para dividirse y producir nuevos clones de células plasmáticas apropiadas.

Célula presentadora de antígenos (macrófagos) Antígeno

Una célula presenta el complejo de antígeno extraño-MHC en su superficie.


Citocinas

El linfocito B acti vado aumenta de tamaño y se divide por mitosis.

Bacteria

Linfocitos B

Se producen clones de linfocitos B competentes.

Las células plasmáticas secretan anticuerpos

H C E P C

Los anticuerpos son transportados por la sangre y linfa a la zona infectada.

Bacterias con antígenos

Linfocitos B de memoria

Sitio de infección Complejo antígeno- anticuerpo

152

Figura 8. Inmunidad humoral.

Los linfocitos B se diferencian en células plasmáticas y linfocitos B de memoria.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 4.2 Inmunidad celular Los linfocitos T se encargan de la inmunidad mediada por células o inmunidad celular. Colaboran en esta acción también los macrófagos. Destruyen células infectadas por virus y células que han sido alteradas de algún modo, como las cancerosas. También destruyen injertos de tejidos extraños (trasplantes). Cada una de estas células tiene más de 50.000 receptores que se unen a un tipo específico de antígeno. Tal como los linfocitos B, los T también son clonados. Como los linfocitos T no reconocen a los antígenos a menos que se les presenten de manera adecuada, el proceso de reconocimiento se presenta de la siguiente forma: cuando un virus u otro patógeno invade una célula, parte de la proteína viral es exhibida con moléculas de MHC en la superficie celular. Los receptores de linfocitos T reaccionan entonces con tales complejos antígeno extraño-MHC. Solo se activan linfocitos T específicos para este complejo. Una vez activado, un linfocito T aumenta de tamaño y da origen a una población de linfocitos por clonación. De esta línea de clonación algunos se transforman en linfocitos T citotóxicos y otros en células de memoria. Los linfocitos citotóxicos salen de los ganglios linfáticos, para luego dirigirse a la zona de infección. Luego de que los linfocitos T citotóxicos se combinan con un antígeno en la superficie de la célula blanco, secreta enzimas del tipo perforinas que destruyen a la célula blanco. Después de liberar las sustancias citotóxicas, el linfocito T se separa de su célula víctima y busca un nuevo blanco.

Célula presentadora de antígenos (CPA) Linfocito T de ayuda

Patógeno Ingerido

Citocinas

Un linfocito T competente es activado por un complejo antígeno extraño- MHC específico presentado por una CPA.

Linfocitos T

Linfocito T activado

Se produce un clon de linfocitos T competentes.

Otros tipos de Linfocitos T células citotóxicos emigran al lugar de la infección

Linfocitos T de memoria

Los linfocitos T salen del ganglio y emigran al sitio de infección. Linfocito T de ayuda

a s i n o c c i t

Célula infectada

Figura 9. Inmunidad celular.

Se destruye la célula infectada

H C E P C 153


Sistem� inmun�

Actividades

1.

Explica por qué una persona puede sufrir tantas veces de gripe.

2.

¿De qué manera nuestro organismo distingue lo propio de lo extraño? Explica brevemente.

3.

Basándote en a lo que has aprendido en este capítulo, ¿qué significa el concepto tolerancia inmunológica?

4.

¿Cómo explicarías el efecto de las vacunas en nuestro organismo? Para responder esta pregunta, debes basarte en lo que aprendiste de inmunidad adaptativa.

5.

Analiza el siguiente cuadro y luego realiza un breve resumen sobre los tipos de inmunidad (activa y pasiva).

a v i t c a d a d i n u m n I

a v i s a p d a d i n u m n I

H C E P C 154

Días o semanas

Antígeno microbiano (vacuna o infección)

Suero (anticuerpos) o células (linfocitos T) de un animal inmunizado.

Infección

Recuperación (Inmunidad)

d a d i c fi i c e p s E

Sí

d a d i c fi i Sí c e p s E

Infección

Mejoría (inmunidad)

a i r o m Sí e M

a i r o m No e M

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5. Memoria inmunitaria La inmunidad a largo plazo depende de la memoria inmunitaria. Los linfocitos T y B de memoria se encargan de esta función. La primera exposición a un antígeno estimula una reacción primaria . La inyección de un antígeno a un animal hace que aparezcan anticuerpos específicos en el plasma en 3 a 14 días. La Ig M es el principal anticuerpo sintetizado durante la respuesta primaria. Una segunda inyección del mismo antígeno, incluso años después, evoca una reacción secundaria. La respuesta secundaria es, en general, mucho más rápida que la primaria, con un período latente más corto. Se requiere mucho menos antígeno para estimular una respuesta secundaria y se producen más anticuerpos, comparado con la respuesta primaria. En una reacción secundaria, el anticuerpo predominante es Ig G.

Antígeno A + Antígeno B

Antígeno A o r e u s l e n e s o p r e u c i t n a e d o l u t í T

Respuesta secundaria Anti A

Respuesta primaria Anti A

2

4

6

Respuesta primaria Anti B

8

10

Semanas Figura10. Memoria inmunitaria.

La capacidad del organismo de montar una respuesta rápida y eficaz durante el segundo encuentro con un antígeno, explica por qué no solemos sufrir varias veces la misma enfermedad infecciosa, como ocurre con el sarampión (memoria).

H C E P C 155


Sistem� inmun�

Actividades

1.

Compara los mecanismos de inmunidad mediada por células y humoral, indicando diferencias y semejanzas.

2.

Explica la importancia y función de las células de memoria.

3.

Completa el siguiente cuadro

Tipos de Inmunidad

Características Innata Especificidad contra microbios Diversidad Especialización Memoria Barreras químicas y físicas Proteínas sanguíneas Células

4.

H C E P C 156

Define el concepto de enfermedades autoinmune.

Adaptativa



1. Inmunidad: capacidad del organismo para generar mecanismos de defensa interna que lo protegen contra microorganismos causantes de enfermedades. 2. Memoria: capacidad del sistema inmune para generar poblaciones celulares que permanecen en un estado basal en el tiempo y que, frente a una nueva exposición al antígeno que las creó, reaccionan más rápida y potentemente, mejorando la eficacia de su eliminación. 3. Especificidad: característica del sistema inmune para generar una respuesta particular para cada antígeno y que se monta de la misma manera cada vez que se presenta el mismo antígeno. 4. Antígeno: cualquier molécula, a menudo una proteína o un carbohidrato grande, que puede ser reconocida de manera específica como ajena por las células del sistema inmunitario. 5. Inmunoglobulina: proteína específica que reconoce antígenos específicos y se une a ellos. La inmunoglobulina es producida por células plasmáticas. 6. Inmunidad adaptativa: mecanismos de defensa que se desarrollan a medida que el sujeto se expone a los antígenos a lo largo de su vida. Tiene carácter específico. 7. Inmunidad innata: tipo de inmunidad que involucra elementos que se traen desde el nacimiento, por ejemplo, la piel. 8. Inmunidad celular: tipo de mecanismo de defensa específico en el que los linfocitos T actúan directamente sobre los patógenos para permitir su destrucción. Se encarga de la destrucción de células tumorales, virus y hongos. 9. Inmunidad humoral: tipo de mecanismo de defensa específico en el que los linfocitos B se di ferencian en células plasmáticas y producen anticuerpos (inmunoglobulinas) que se combinan con antígenos extraños, lo que lleva a la destrucción de los patógenos. 10. Linfocito: célula del sistema inmune de la línea linfoide, a cargo de la inmunidad de tipo específica, tanto humoral como celular. 11. Tolerancia: capacidad del sistema inmune para evitar el ataque a los tejidos propios.

H C E P C 157


Sistem� inmun�

C e r u M m u e P n e c o , i l s a p e l o s y

B a r r e r a s m e c á n i c a s

S a J u l i g o v s a , S S u e g l b d á á g o s r , o t ,r r i m i c o a s s y

B a r r e r a s q u í m i c a s

B i n a t c e t s e t r i n i a a s l d y e v l a a g f i l n o a a l r

B a r r e r a s b i o l ó g i c a s

M a c r o m o l é c u l a s B a r r e r a s e x t e r n a s

I n m u n i d a d i n n a t a

C é S l u i s l t a e s m I I n i n a fl n t m e F a r c i o m u f e b a n e r m r o i e c d n p i l ó a e n d e s m e i n n n t o a t a

m C é e u m l a o l r s i a d e A n t i c u e r p o s

p l a C s m é u á l l t a i c a s s

B a r r e r a s i n t e r n a s

L i n f o c i t o B

m C é e u m l a o l s r i a d e L c i i n t o f o t ó c x i t i o c o s s T H C E P C

158

L d i e n f a o c y u i t d o a s T

L i n f o c i t o T

I n m u n i d a d h u m o r a l

I n m u n i d a d c e l u l a r

L i s o z i m a

O r g a n e l o s

e x i s t e n d o s f o r m a s p r i n c i p a l e s . . .

I n m u n i d a d a d q u i r i d a

o S r i s g a t m n e i s m a o d e d d e e e f e l e m n s a e n m t o u s l e i x t f t r a c a ñ t o o i r s . a l q u e p r o t e g e a l

s i g n i fi c a d o . . .

I n m u n i t a r i o

C é l u l a

r u g o s o

M o n o c i t o

c o S m i s p t e l m e m a e n d e t o l

e n d o R p e l a t í c s m u o á l t i c o

L i s o s o m a s

L i n f o c i t o T

L i n f o c i t o B

M a c r ó f a g o

C o n j u n t i v o

T e j i d o

Ó r g a n o

I n m u n o g l o b u l i n a s

l i n G a f á n g t i l c o o i s s

B a z o

L i n f o i d e

M é d u l a ó s e a

T i m o

S i s t e m a


Capítul� 6 Biologí� human� � salu�




Definir el concepto de droga y su clasificación.



Analizar los efectos perjudiciales de las drogas.



Valorar el efecto de una vida sana.



Definir los conceptos de autoinmunidad, alergia y rechazo de injertos.



Conocer los grupos sanguíneos y su relación con el sistema inmune en las transfusiones.



Determinar los elementos del sistema inmune que participan en las alteraciones de este sistema.



Definir el concepto de estrés.



Reconocer los tipos de estrés y sus efectos en el organismo.



Conocer los mecanismos de respuesta al estrés que presenta nuestro organismo.



Conocer los principales tipos de enfermedades autoinmunes.



Def inir el concepto de vacuna.



Explicar el mecanismo de acción de las vacunas.



Conocer algunos problemas infecciosos contemporáneos.


Biologí� human� � salu�

Introducción El hombre es un ser eminentemente social y se agrupa constituyendo la sociedad, una compleja organización que, en su funcionamiento, depende de la interacción de todos los sujetos que la componen. Por esta razón se requiere la integridad de cada ser humano que, como pieza de un gran engranaje, entrega su parte a la estabilidad y desarrollo de la estructura social. Salud y enfermedad en el ser humano se dan en una dinámica existencial con su entorno social, histórico, cultural, ambiental y económico. Frecuentemente los anhelos de un más justo nivel de salud y de utilización de tecnologías son obstaculizados por la limitación de los recursos. De esta forma, comprendemos que la integridad de un individuo está ligada a su salud. Por lo tanto, el bienestar del hombre y de la sociedad que conforma dependerá del conjunto de acciones que esta última determine para la protección y fomento de la salud.

1. Conceptos básicos 1.1 Salud La esencia del concepto salud no se puede comprender prescindiendo de los aspectos antropológicos y sociológicos o no tomando en cuenta los contextos de familia, medio social y ambiente. Es necesario además tener presente la connotación histórica, ya que cada ser se entiende a sí mismo como un resultado del pasado y solo entiende el presente cuando comprende lo que ha sido él en el mundo. La O.M.S. (Organización Mundial de la Salud) define la salud como un estado de completo bienestar físico, mental y social. Por otra parte, el Ministerio de Salud la reconoce como un bien que el individuo necesita para realizarse como persona y un mecanismo esencial para el desarrollo de la nación. De acuerdo con estas definiciones, el estado de salud resulta de un equilibrio dinámico de los factores antes mencionados, en que se conjugan la acción del medio ambiente y las características individuales del sujeto.

1.2 Enfermedad Es una alteración del estado de bienestar físico o psíquico del individuo que pertenece a una comunidad. Existe un desequilibrio en una o varias funciones biológicas o mentales del sujeto que afecta directa o indirectamente su vida social.

Actividades

H C E P C 160

1.

¿Cómo define la O.M.S. el estado de salud de un individuo?

2.

¿Cuándo un individuo se encuentra enfermo? Define enfermedad.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 1.3 Clasificación de las enfermedades Las enfermedades pueden afectar de diferente manera al sujeto que las padece. Si se presenta asociada a un conjunto de signos y síntomas característicos , nos encontramos ante el cuadro clínico de la enfermedad. Pero también la enfermedad puede no dar grandes signos ni síntomas y pasar inadvertida por el individuo, tratándose, entonces, de una enfermedad sub-clínica. Según su etiología, las enfermedades se clasifican como se obser va en el siguiente cuadro: Tabla 1. Tipos de enfermedades.

Enfermedad

Características generales

Ejemplo

Infecciosas o infectocontagiosas

Son aquellas en que la causa de la enfermedad es un microorganismo patógeno. Este agente puede transmitirse directa o indirectamente desde una persona a otra o desde un insecto o animal a una persona.

• • • •

Tuberculosis (TBC). Gripe o resfrío común. Hepatitis. Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA).

• • • •

Teniasis (lombriz solitaria). Oxiuriasis (pidulles). Sarna. Pediculosis (piojos).

• • •

Gota. Diabetes mellitus. Hipertiroidismo

• • • • •

Obesidad. Desnutrición. Ceguera nocturna. Escorbuto. Anorexia.

Cáncer. Lupus. Esclerosis múltiple.

Parasitarias

Son aquellas provocadas por organismos unicelulares o multicelulares que actúan como parásitos del organismo humano.

Metabólicas

Son aquellas causadas por una alteración en las reacciones bioquímicas propias del metabolismo del individuo. Incluye los trastornos endocrinos provocados por alteraciones hormonales.

Nutricionales

Son aquellas provocadas por un déficit o exceso en la ingesta de determinados nutrientes. Pueden ser causadas también por una alteración en la utilización o eliminación de sus residuos. Incluye también las enfermedades carenciales debidas al déficit de vitaminas en la dieta.

Degenerativas

Son aquellas en que existe una alteración estructural de los tejidos y órganos afectados, comprometiendo su función.

• • •

Traumáticas

Son todas aquellas en que se afecta la integridad corporal de un sujeto debido a las lesiones causadas por agentes físicos, químicos, eléctricos o biológicos.

• • • •

Accidentes automovilísticos. Mordeduras de animal. Golpe eléctrico. Quemaduras.

• •

Genéticas

Son aquellas en que existen alteraciones de la información genética, ya sea a nivel cromosómico o de algunos genes puntuales que serán transmitidos de generación en generación.

Hemofilia. Síndrome de Down (trisomía del cromosoma 21). Daltonismo. Albinismo.

• •

H C E P C 161



Mentales

Son aquellas que afectan las funciones superiores del cerebro. Afectan la mente del sujeto y pueden originarse por la experiencia de vida personal y/o social del individuo. Comprometen el equilibrio racional y emocional, impidiéndole adaptarse a su entorno y al grupo social.

Profesionales

Son ocasionadas por la forma en que un sujeto debe trabajar o por las condiciones ambientales en que se desenvuelve laboralmente.

• • • •

Nerviosismo. Cretinismo. Esquizofrenia. Neurosis.

• •

Silicosis del minero. Alteraciones de la columna vertebral en dentistas, etc.

Ojo con Síndrome: es el conjunto de síntomas y signos típicos de una enfermedad determinada que puede obedecer a diferentes causas. Afección: es una alteración localizada en un órgano o en una función. Etiología: causa que desencadena la enfermedad. Diagnóstico: a partir del estudio de un paciente con sus signos clínicos, se puede identificar la enfermedad. Profilaxis: es el conjunto de medidas y acciones desarrolladas para impedir la aparición de la enfermedad.

2. Drogas y estrés 2.1 Drogas Actualmente los especialistas definen como droga a cualquier sustancia que al introducirse en el organismo produce cambios en el funcionamiento psicológico o físico del individuo que las consume. La vía de administración de una droga puede ser digestiva, respiratoria, percutánea, etc. La vía elegida va a depender principalmente de las características del fármaco y de la urgencia o necesidad de su efecto. a. Clasificación de las drogas

Como toda clasificación, puede basarse en diferentes criterios; el criterio que utilizaremos tiene que ver con su legalidad. Por esta razón, las clasificaremos como lícitas (legales) e ilícitas (ilegales). H C E P C 162

Ejemplos de drogas lícitas son el tabaco, los fármacos de prescripción médica, el alcohol, etc. y de drogas ilícitas, la marihuana, la heroína, el opio, la cocaína, etc.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Todas las drogas, cualquiera sea la forma en que se consuman, pasan a la sangre y, a través de ella, llegan a todo nuestro cuerpo y al cerebro, generando diferentes efectos. Algunas drogas producen excitación o estimulación, otras relajación y otras distorsionan la realidad. Por esta razón, se las clasifica en drogas estimulantes, tranquilizantes y alucinógenas, respectivamente. Vías que sigue una droga cuando es introducida al organismo:

Tejido

Sangre

Tejido indiferente (fijación) Tejido susceptible: acción

Excreción

Vías de administración Droga

Depósitos

Figura 1. Vías de administración y eliminación de drogas.

b. Nomenclatura y definición de conceptos asociados al consumo de drogas Tabla 2. Conceptos asociados al consumo de drogas. Concepto Hábito

Definición

Es la costumbre de consumir un determinado preparado, por razones psicológicas, pero sin hacer mención de los aspectos físicos.

Adicción

Es el deseo irrefrenable de continuar consumiendo drogas que manifiesta una persona que se ha habituado a ella y a sus efectos como resultado de un consumo repetido.

Dependencia

Es el estado en el cual un adicto debe continuar consumiendo la droga para evitar los síntomas que resultan de la abstinencia. Dependencia psicológica: Se caracteriza por una compulsión o un deseo intenso por continuar usando drogas. Esto se acompaña de sentimientos de satisfacción y del deseo de repetir la experiencia con la droga o de evitar el malestar que produce al no tomarla. Dependencia física: Se caracteriza por una demanda celular a una droga específica, presentándose trastornos fisiológicos adversos que surgen de la falta de consumo.

Tolerancia

Es la capacidad decreciente de respuesta a las mismas cantidades de drogas. Es un proceso de adaptación celular y puede desarrollarse para muchas drogas que no producen adicción. También se puede explicar como la necesidad de aumentar progresivamente la cantidad de droga para obtener la misma respuesta original.

Síndrome de privación (de retirada o de abstinencia)

Síndrome de drogadicción o toxicomanía

Se refiere a un conjunto de síntomas y signos que se presentan al suspender bruscamente la administración de una droga. Los efectos pueden ser dramáticos, como provocar la muerte del individuo. Presenta una serie de características: • Dependencia psicológica. • Deseo de interrumpir el consumo de la droga. • Conducta estereotipada en el consumo. • Consumo mantenido con el fin de evitar el síndrome de privación. • Búsqueda compulsiva de la droga con prioridad sobre otros intereses. • Reaparición del síndrome tras un período de abstinencia. Por lo tanto, desde el punto de vista farmacológico se considera que la drogadicción presenta 3 componentes básicos: tolerancia, dependencia y búsqueda compulsiva de la droga.

Droga dura

Droga que produce severos daños al organismo y genera dependencia. Ejemplo de estas drogas son las que producen adicción inmediata, como la heroína.

H C E P C 163



Actividades

A continuación se presentará una serie de preguntas que deberás responder, basándote en la información entregada hasta este momento. 1.

¿Cómo se define el concepto de droga en la actualidad?

2.

¿De qué manera podemos clasificar las drogas? Defínelas y menciona un ejemplo.

3.

Clasifica las drogas que tú conoces, según el criterio que se ha utilizado en este capítulo (mínimo 3).

4.

¿Por qué razón se clasifica a las drogas en lícitas e ilícitas?

5.

¿Qué significa adicción?

6.

¿Qué significa dependencia? Describe los tipos de dependencia que existen.

7.

¿Qué significa tolerancia a las drogas?

8.

¿Qué sucedería si una persona adicta a un tipo de droga suspende repentinamente su consumo?

9.

Completa el siguiente esquema:

Consumo de drogas genera lo que lleva a la persona al

Efectos

se necesita aumentar la

que conducen a la

dosis conduciendo al

que presente

Tolerancia

tipos

D. Física

H C E P C 164

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� c. Efectos de las drogas •

Efecto en la sinapsis química: casi todas las drogas que actúan en el cerebro alterando el humor o el comportamiento lo hacen intensificando o inhibiendo la actividad de los sistemas neurotransmisores y se conocen como psicofármacos.

Se conocen diversos mecanismos que explican cómo los psicofármacos pueden modificar la conducta humana. Uno de ellos es en la sinapsis, donde los psicofármacos son reconocidos y se unen a los receptores de los neurotransmisores. En otro mecanismo, los psicofármacos modifican el almacenamiento de los neurotransmisores en las vesículas sinápticas o interfieren con su sistema de reciclaje. Por último, otros mecanismos incluyen la modulación del receptor donde actúan los neurotransmisores, la acción de estos en canales iónicos o en transporte de metabolitos esenciales. Un mecanismo de acción muy común de los psicofármacos es el de remedar la acción de algún neurotransmisor en los receptores de la sinapsis. Esto ocurre porque existen grandes homologías estructurales entre la conformación de los psicofármacos y los neurotransmisores. Esta similitud permite que los psicofármacos activen o inhiban los receptores para los neurotransmisores. Un ejemplo relativamente bien estudiado es el de la morfina: este poderoso analgésico reconoce y activa los receptores opioides del sistema nervioso porque imita la acción de las endorfinas, que son neurotransmisores de naturaleza peptídica. Existen psicofármacos que son antagonistas, es decir, inhiben la acción de los neurotransmisores. Un ejemplo de estas drogas es la estricnina (un alcaloide), un poderoso estimulante del sistema nervioso, el cual produce convulsiones. La estricnina antagoniza la acción inhibitoria del neurotransmisor GABA. Como resultado de la inhibición de estas sinapsis, predominan las sinapsis excitatorias que llevan a que los sujetos intoxicados con estas drogas presenten severos cuadros convulsivos.

Tabla 3. Etapas de la función sináptica que pueden afectarse por drogas. Sinapsis

Etapas afectadas

Neurona presináptica Producción de neurotransmisor

Precursor 1

Neurotransmisor

Mecanismo de acción 1.

Inhibición de las enzimas responsables de la síntesis de neurotransmisores. 2.

Fuga del neurotransmisor por fuera de la vesícula.

2

Almacenamiento y liberación del neurotransmisor

Bloqueo de su liberación en el espacio sináptico. 3.

6 6. Bloqueo

de la recaptura.

3

Receptor 4


5

Inactivación del neurotransmisor

Fijación en el receptor

5.

Inhibición de las enzimas, que degradan al neurotransmisor. 4. Imposibilidad

de acción del

receptor.

H C E P C 165



Neurona presináptica

Potencial de acción Mensaje nervioso parcialmente inhibido

Potencial de acción Mensaje nervioso inhibido

Receptor de encefalina Morfina Encefalina

Receptor del neurotransmisor Neurotransmisor liberado Neurona moduladora

Neurotransmisor no liberado Neurona postsináptica

Encefalina Inhibición intensa y prolongada por morfina

Inhibición a través de las encefalinas

Figura 2. Efectos de las encefalinas y morfina en el control del dolor.

Dopamina

Neurona presináptica

Anfetamina Dopamina

Anfetamina estimula la liberación de dopamina y bloquea su recaptura.

a u r p t a c R e

Cocaína

La cocaína bloquea el reciclaje de dopamina, permaneciendo este neurotransmisor por más tiempo en la sinapsis y activando continuamente a sus receptores.


Figura 3. Estimulación de la función sináptica por drogas.

Actividades

H C E P C 166

1.

Describe, en términos generales, los principales eventos que ocurren durante una sinapsis normal.

2.

¿Qué efectos generan las anfetaminas en la transmisión sináptica? Fundamenta tu respuesta.

3.

¿Cómo afecta la morfina la conducción de los impulsos nerviosos relacionados con el dolor?

4.

¿Qué efectos genera la cocaína en la sinapsis? Fundamenta tu respuesta.

5.

Confecciona una tabla comparativa donde se aprecie el resumen de los efectos principales de las drogas (mencionadas) en la sinapsis.


Efecto de las drogas en el organismo: la siguiente información nos muestra el efecto de diferentes tipos de drogas sobre el sistema nerviosos y otros efectos corporales.

- Cafeína * Características: la cafeína se obtiene de la planta del café ( Coffea arabica). Se puede encontrar en diversas bebidas como el café, el té, el mate, las bebidas cola, el chocolate y algunos medicamentos. * Efectos corporales: tiene un efecto estimulante noradrenérgico y dopaminérgico (imitan los efectos de los neurotransmisores: noradrenalina y dopamina), además es un vasoconstrictor cerebral poderoso. Estos efectos varían mucho de una persona a otra, según sea la sensibilidad a la droga y el acostumbramiento a ella. A nivel cardiovascular, produce un aumento en la actividad cardíaca, la presión arterial, aumenta el estado de alerta y genera insomnio. Como efectos colaterales del consumo excesivo, se observa irritabilidad, diarrea, arritmia cardíaca, dificultad en la concentración mental, etc. * Mecanismo de acción: interfiere a la adenosina, que es un sedante natural, el cual normalmente se fija a las neuronas haciéndolas menos sensibles a neurotransmisores excitadores. * No se ha demostrado dependencia física, pero sí psicológica: en los consumidores habituales de dosis excesivas de cafeína se suele producir el síndrome de abstinencia cuando se interrumpe la ingesta, observándose los siguientes síntomas: cefaleas, irritabilidad, trastornos del sueño, etc. También se ha podido establecer que la dosis letal de cafeína en adultos sería entre 5 y 10 g (50-100 tazas de café) vía intravenosa u oral.

-

Tabaco (cigarrillo) * Características: en el tabaco existen unas 1.200 sustancias tóxicas, incluyendo algunos elementos radiactivos como el polonio. Algunas se inhalan como gases y otras van en suspensión en el humo en forma de partículas, entre los cuales se encuentran los alquitranes, la nicotina, el fenol y derivados, como por ejemplo el benzopireno, el cual tiene mayor acción cancerígena. * Efectos corporales: los efectos más conocidos son los que se presentan tanto sobre el sistema respiratorio como en el sistema cardiovascular. El humo del cigarrillo produce irritación en las vías aéreas. Los gases como amoníaco, formaldehído, acetaldehído, inmovilizan los cilios de la mucosa respiratoria. El monóxido de carbono participa en los procesos de arteriosclerosis y en lesiones del aparato cardiovascular, disminuye la capacidad de trabajo cardíaco y forma carboxihemoglobina. La nicotina es la responsable de los fenómenos de tolerancia y dependencia psíquica que provoca el cigarrillo. Presenta efectos tanto estimulantes como sedantes. Este doble efecto se produce según la dosis (cantidad de cigarrillos) y el estado psicológico del usuario. * Mecanismo de acción: provoca liberación de noradrenalina por estimulación del sistema simpático y de hormonas suprarrenales. Además estimula la liberación de betaendorfina, que produce un efecto sedante. H C E P C 167



-

Alcohol * Características: el alcohol es químicamente un alquilo unido a un grupo hidroxilo. El que nos interesa desde el punto de vista de las adicciones es el etanol, principal ingrediente de las bebidas alcohólicas habituales. Provoca tolerancia y adicción (presenta dependencia psíquica y física, con síndrome de privación) * Efectos corporales: el alcohol está catalogado como una droga depresora del sistema nervioso central. No obstante, en dosis bajas se obtiene un efecto euforizante. Un efecto precoz es la inhibición de áreas de la corteza cerebral, afectando principalmente a las zonas relacionadas con el autocontrol conductual y la capacidad de juicio. Al inhibirse estos verdaderos frenos conductuales y a la vez alterarse la habilidad para evaluar situaciones, el individuo presentará ciertos comportamientos primitivos, como euforia o agresividad, que se pueden acompañar de risa, llanto, locuacidad, etc. El alcohol ejerce, además, otros efectos sistémicos, como sudoración, vasodilatación, taquicardia, inhibición de la hormona ADH, etc. A largo plazo produce irritación de las mucosas digestivas, especialmente evidente a nivel del esófago y del estómago. Otro de los órganos que puede ser afectado por la ingesta de alcohol es el hígado, desarrollándose disfunción hepática en un 75% de los alcohólicos y cirrosis en un porcentaje menor. * Mecanismo de acción: en la sinapsis afecta los diferentes receptores de neurotransmisores, como el GABA (neurotransmisor relacionado con impulsos inhibitorios).

- Marihuana * Características: la marihuana se obtiene de una variedad de planta conocida como Cannabis sp. El principio activo que contiene es el delta 9-tetradihidrocanabinol (THC). Sus vías de eliminación son la bilis, las heces, la orina y la leche materna. • Efectos corporales: los efectos van a depender de la dosis de THC que contenga la muestra, la vía de administración, las características del sujeto, las expectativas previas, el ambiente social, etc. Esta variedad de factores predisponentes es la que determina que los efectos no se desarrollen según un patrón definido, lo que ocasiona discrepancias en los resultados experimentales y lleva a confusión, especialmente en relación con los efectos nocivos. Las dosis pequeñas son ansiolíticas (disminuyen la ansiedad) y producen euforia, así como cierto grado de apreciación del tiempo. Las dosis altas provocan efectos psicodélicos y las dosis excesivas van a determinar incapacidad motora y cognitiva. Al consumidor habitual de dosis moderadas, a los 15 a 20 minutos se le produce una ansiedad vaga y cierta hiperactividad. Luego entra en un estado en el que experimenta una sensación de extremo bienestar, de triunfo, de gozo interior y de placer. Se producen alteraciones en la sensopercepción, especialmente visuales, mayor sensibilidad auditiva, táctil, gustativa y olfatoria. Los espacios se agrandan y el tiempo se prolonga; se altera la memoria.

H C E P C 168

* Mecanismo de acción: se piensa que la marihuana, al tener propiedades lipofílicas, se incorpora con facilidad a las membranas neuronales. También se supone que actúa a nivel del sistema límbico, incluyendo los centros de placer o recompensa y castigo, así como en el ámbito de las áreas corticales sensitivas, de asociación y de funciones superiores intelectuales.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� - Cocaína * Características: la cocaína es un alcaloide que se obtiene de las hojas de un arbusto, Erytroxilon coca, que crece en el altiplano del Perú, Bolivia y Colombia. Actualmente está incluida entre las drogas que producen adicción y su venta es ilegal.

Las vías de administración son variadas, dependiendo esencialmente de la forma del preparado. Con respecto a las características de dependencia, el individuo se acostumbra a la ayuda de la droga para mantenerse en un estado de bienestar y euforia, así como para mantener condiciones de energía física y síquica. No se ha demostrado que produzca dependencia física. * Efectos corporales: los efectos de la cocaína corresponden a los de un psicofármaco estimulante. Produce euforia, aumenta los estados de alerta, genera sensaciones de bienestar, anorexia, supresión de la fatiga, estimula los centros de placer, disminuye el tiempo de reacción, provoca vasoconstricción y anestesia local, la cual se produce por un bloqueo en la conducción de impulsos por las fibras nerviosas, entre otros. * Mecanismo de acción: el efecto estimulante general sobre el sistema nervioso central se produce por mecanismos que consisten en la activación de los sistemas noradrenérgicos y dopaminérgicos. La cocaína estimula la liberación de noradrenalina y dopamina e inhibe la recaptación de estos neurotransmisores hacia la neurona presináptica, con lo cual permanece el neurotransmisor en el espacio sináptico.

-

Pasta base * Características: la pasta base de cocaína (PBC) es la cocaína tratada -que se extrae de las hojas del arbusto de la coca- a través de un proceso de maceración y mezcla con solventes como parafina, bencina y ácido sulfúrico. Su aspecto puede ser en forma de polvo blanquecino o amarillento, dependiendo de la sustancia con la que se mezcle.

Esta sustancia se fuma mezclada con otras drogas como tabaco o marihuana. Cuando se fuma, el efecto es rápido e intenso (se demora entre 8 y 40 segundos en aparecer y dura solo unos minutos). * Efectos corporales: los efectos de fumar PBC dependen de muchas variables: el tipo de preparación, la dosis, la frecuencia de consumo, la forma de uso (social, recreativa, individual), las impurezas y adulteraciones que contenga, la motivación (estimulante, búsqueda de placer, antidepresiva), entre otras. Los efectos sobre el organismo son disminución de inhibiciones, sensación de placer, éxtasis, intensificación del estado de ánimo, cambios en los niveles de atención, hiperexcitabilidad, disminución del hambre, el sueño y la fatiga, aceleración de los procesos de pensamiento, aumento de la presión sanguínea, la temperatura corporal y el ritmo respiratorio. Otros efectos físicos que se pueden obser var son pérdida de peso, palidez, taquicardia, insomnio, midriasis (dilatación de las pupilas), náuseas y/o vómitos, sequedad de la boca, entre otros.

La PBC es una sustancia muy adictiva. Esto porque la excitación y el bienestar que provoca son muy breves, lo que se acompaña inmediatamente de una fuerte sensación de angustia. La mayor parte de estos síntomas son reversibles con una abstención total y un tratamiento adecuado. H C E P C 169



-

Opiáceos * Características: son todas aquellas sustancias cuya acción farmacológica es similar a la de la morfina, (derivado del opio). Los opiáceos derivan de una planta conocida como amapola doble (Paper somniferum). El fruto de la amapola produce un líquido lechoso, obtenido de incisiones realizadas a las cápsulas de las flores en una determinada hora del día. Del jugo de esta planta se pueden obtener morfina y heroína, entre otros. Los opiáceos desarrollan fenómenos de dependencia psicológica, física y tolerancia. La dependencia síquica se basa en el estado placentero y de relajación que producen los opiáceos, y en la incapacidad de aceptar el dolor psíquico y la ansiedad.

El síndrome de abstinencia de los opiáceos se caracteriza, en una primera fase, por midriasis, sudoración, inquietud. Luego se producen calambres musculares, espasmos intestinales, náuseas, vómitos y diarreas. También se presentan crisis de ansiedad que pueden llegar al pánico y a la sensación de muerte inminente, con intensa sudoración. Los síntomas se producen entre 8 a 48 horas después de la última dosis, dependiendo de la actividad metabólica del opiáceo. * Mecanismo de acción: todos los opiáceos actúan uniéndose a los receptores de endorfinas naturales del organismo, los cuales se localizan preferentemente en las estructuras relacionadas con la percepción dolorosa, las funciones neuroendocrinas y la regulación neurovegetativa (médula espinal, sistema límbico, entre otros). •

•

Morfina Características: es el opiáceo más estudiado porque reproduce los efectos de los opioides. Efectos corporales: los efectos van a depender de las dosis utilizadas y de las vías de administración. En términos generales, ejerce un efecto analgésico, somnolencia, náuseas y entorpecimiento de las actividades mentales. Heroína Características: es una droga ilegal, semisintética, debido a que su obtención implica un tratamiento químico más elaborado. Es la más cara y tóxica de los opiáceos, pues es la que provoca más muertes dentro de este grupo. Se suministra preferentemente por vía intravenosa y subcutánea, pero también puede fumarse mezclada con tabaco. Efectos corporales: es el opiáceo preferido por los adictos. Produce euforia, sensación de paz, optimismo, alegría y seguridad. En una mujer, la heroína disminuye la secreción de gonadotrofinas, lo que provoca una alteración de los ciclos sexuales. En el varón produce problemas en la eyaculación. Las dosis altas provocan sueño y se puede producir la muerte por paro respiratorio o por un colapso cardiovascular. Los efectos analgésicos de la heroína son tres veces mayores que los de la morfina.

- LSD (dietilamida de ácido lisérgico) * Características: es una droga de tipo psicodélica y semisintética. Se puede administrar por vía oral (comprimidos o tabletas), inhalarlo por las fosas nasales o inyectarlo. Los efectos van a depender de la dosis, la vía de administración, la adulteración de la sustancia, la estructura mental, el tipo de personalidad y el ambiente que lo rodea. * Efectos corporales: es una droga muy poderosa, altera la mente. Es un perturbador del sistema nervioso central, provocando alucinaciones. H C E P C 170

Efectos inmediatos: sensación de mayor agudeza sensorial, dificultad para concentrarse, controlar el pensamiento y disminución de la capacidad de recordar, alteración del espacio - tiempo. Se reduce la percepción del dolor. Las alucinaciones pueden ir desde percibir una imagen que no existe hasta vivir en un mundo irreal y tener experiencias místicas, sentimientos de alegría, paz, armonía y unión con los demás.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Efectos a largo plazo: existen evidencias de trastornos sicológicos, como depresión, ansiedad y psicosis. Uno de los más conocidos es el llamado “flashback”, o recurrencia, que consiste en volver a vivir el viaje experimentado con la droga, pudiendo incluso ocurrir semanas después de consumirla.

* Mecanismo de acción: el LSD se uniría a receptores serotoninérgicos, lo que determina que las neuronas de los núcleos del Rafe, ubicados en el tronco encefálico, dejen de transmitir impulsos nerviosos. Esta acción podría ser estimulante sobre ciertas neuronas noradrenérgicas, las que serían responsables de hiperreactividad y parestesia (sensación de hormigueo y pinchazos).

-

Éxtasis * Características: el nombre químico del éxtasis es MDMA o metilendioximetanfetamina. Es una composición basada en las anfetaminas a la que se adicionan otras sustancias.

* Efectos corporales: el consumo de éxtasis se ha asociado como causa de muerte. Los expertos creen que puede ser debido a los ‘golpes de calor’ y deshidratación. Las dosis pequeñas hacen que el individuo esté alerta, sereno, amistoso y sociable, a lo que se suma una intensa sed y mayor sensibilidad para las percepciones sensoriales. Como se eleva la temperatura del cuerpo, si se toma en lugares concurridos y se baila se pierde líquido y se puede llegar a la deshidratación. También se altera la percepción del tiempo y la capacidad de concentración y coordinación, pudiendo presentarse crisis de ansiedad y ataques de pánico. Estas sensaciones van disminuyendo y puede surgir un comportamiento impredecible, pasando de la tranquilidad y la actitud amistosa a la ira y la provocación, así como al insomnio y falta de apetito. Puede también presentarse somnolencia, ansiedad, depresión e irritabilidad. En caso de dosis altas, o cuando existe una predisposición genética o hipersensibilidad hacia alguno de los compuestos, el consumidor puede desarrollar complicaciones graves, como profunda alteración de la conciencia, agitación, convulsiones e insuficiencia renal aguda, que pueden causarle la muerte.

-

Anfetaminas * Características: la anfetamina es una droga de producción artificial que tiene un gran poder estimulante. Las anfetaminas se fabrican en laboratorios. Su pureza en el mercado ilícito generalmente es baja. Otras denominaciones son: anfetas, pepas, católicas, escancil, cidrín. Su aspecto es en cápsulas y comprimidos de texturas y colores diferentes que contienen un polvo blanco parecido a la sal de mesa en su interior. También vienen en ampollas inyectables.

* Efectos corporales: dosis de 5 a

15 mg

por vía oral provocan sensación de euforia y bienestar, que se manifiesta con excitación nerviosa, insomnio, locuacidad, aumento del grado de confianza y de autosatisfacción, agitación. En ocasiones produce agresividad, ausencia de apetito y de fatiga e hiperactividad. Una de las acciones propias de las anfetaminas es la capacidad de incrementar el nivel de atención y concentración, por eso su uso es común en el ámbito estudiantil. A nivel físico, la persona puede manifestar sed, sudoración, taquicardia, aumento de la tensión arterial, náuseas, malestar, dolor de cabeza y vértigos. Cuando hay sobredosis de anfetaminas, la persona puede presentar aumento de la temperatura corporal, inquietud excesiva, alucinaciones, irritabilidad, convulsiones e incluso morir.

El uso de anfetaminas a largo plazo puede dar lugar a depresiones severas, alta tolerancia y dependencia. La consecuencia más común es la psicosis tóxica anfetamínica, que se caracteriza por hiperexcitabilidad, temblores, síntomas delirantes y alucinatorios, entre otras, los que con frecuencia se confunden con la esquizofrenia. En la actualidad, el uso de estas sustancias en el ámbito médico se ha visto muy restringido. Sin embargo, su presencia en el mercado clandestino sigue siendo habitual. Su uso en Chile se autoriza solo con una receta cheque, emitida por un médico, para tratar, por ejemplo, el déficit atencional en niños con hiperkinesia, la narcolepsia y en el control de la obesidad, debido a que deprimen el apetito.

H C E P C 171



* Mecanismos de acción: son los mismos mecanismos de acción que ejerce la cocaína, o sea, ejercen una acción noradrenérgica y dopaminérgica.

- Inhalantes * Características: en este grupo se incluyen diversas sustancias que provienen de elementos de uso industrial o doméstico, como disolventes, pegamentos, insecticidas, componentes empleados para el maquillaje, etc. Un ejemplo de inhalantes es el tolueno, sustancia perteneciente a la familia de los hidrocarburos. Generalmente se lo conoce por la marca de los productos que lo contienen. Está presente en algunos pegamentos, pinturas en aerosol y removedores de cera, entre otros. Su aspecto depende del producto que lo contenga. Se administra principalmente por inhalación.

Los inhalantes como el tolueno o el neoprén no producen dependencia física, pero sí psíquica y fenómenos de tolerancia. Estas drogas se asocian a condiciones de vulnerabilidad económica y social. * Efectos corporales: el efecto inicial es potente, se siente casi de inmediato y dura alrededor de media hora. Bajo los efectos del tolueno los consumidores no sienten frío, hambre, ni angustia. Puede producir, además, pérdida de la memoria y la audición, espasmos en las extremidades, pérdida de lucidez, daño cerebral y en la médula espinal. Además el tolueno puede causar dolores de cabeza, problemas de concentración, irritaciones en la piel, nariz, garganta y ojos. En el caso de embarazo puede producir síndrome fetal alcohólico, caracterizado por bebés pequeños y de cabeza chica. El abuso por inhalación de esta sustancia puede ocasionar déficits neurológicos permanentes y alteraciones graves a nivel hepático, renal y a nivel de la medula ósea. * Mecanismos de acción: se sabe que produce lesiones graves e irreversibles a nivel neuronal.

Tabla 4. Dependencia y tolerancia con drogas y fármacos de uso más frecuente en la población. Tipo de droga

Estimulantes • Cocaína • Nicotina • Anfetaminas Alucinógenos • LSD • Marihuana (dosis altas de THC) Depresores del SNC • Alprazolam • Diazepam

Dependencia física

Dependencia psicológica

Tolerancia

0 + ?

+++ ++ +++

++ ++ ++++

0 0

++ ++

++ +

++ +

+++ +++

+ +

Simbología utilizada: 0 ningún efecto + efecto leve ++ efecto moderado +++ y ++++ efecto pronunciado ? no se sabe H C E P C 172


Actividades

De acuerdo con lo estudiado hasta este momento, contesta las siguientes preguntas: 1.

Indica el principal efecto corporal que producen las siguientes drogas:

a. Tabaco b. Alcohol c. Cafeína d. Cocaína e. Marihuana f.

Morfina

g. Heroína h. Éxtasis i.

Anfetaminas

j.

Tolueno

2.

¿Por qué la cafeína es considerada una droga?

3.

¿Por qué el alcohol es considerado una droga?

4.

Explica por qué el cigarrillo genera dependencia psíquica.

5.

¿Cuál de las drogas que has conocido en este capítulo es la más perjudicial para nuestra salud? Fundamenta tu respuesta.

6.

Al observar los datos presentados en el cuadro anterior, señala si existen diferencias entre las drogas lícitas e ilícitas, en cuanto a la capacidad de generar dependencia física o psicológica. ¿Qué tipo de drogas genera un mayor grado de tolerancia en un individuo? ¿Por qué?

H C E P C 173



d. El consumo de drogas en Chile

El estudio nacional de drogas en población general de Chile, fue realizado el año 2012, en 108 comunas de nuestro país. El SENDA, que es la institución que realiza la investigación, utiliza como medida de referencia para describir la magnitud del uso de drogas ilícitas, la prevalencia de consumo del último año (aquellos que declaran haber consumido al menos una vez la droga señalada en los últimos doce meses). Este informe describe, en particular, el comportamiento frente a las drogas ilícitas de uso más frecuente: marihuana, pasta base (sulfato de cocaína) y cocaína (clorhidrato de cocaína). También se informa acerca del consumo de otras drogas de menor prevalencia, así como del uso de tabaco (porcentaje de personas que declaran haber consumido al menos un cigarrillo por 20 o más días en el último mes) y alcohol (porcentaje de personas que declaran haber consumido alcohol al menos una vez en el último mes). Para cada caso, se entregan detalles sobre el consumo por grupo etáreo, sexo, nivel socioeconómico y regiones. A continuación presentamos algunos datos de este documento, que consideramos importantes para que entiendas la evolución que ha tenido Chile, con respecto al consumo de drogas. Tabla 5. Consumo tabaco diario. Características

Año 2006

Año 2008

Año 2010

Año 2012

Hombres

31,8

29,9

26,4

23,8

Mujeres

25,8

26,5

22,8

20,1

12 a 18 años

12,7

12,7

11,1

6,4

19 a 25 años

30,1

31,8

27,4

21,0

Año 2006

Año 2008

Año 2010

Año 2012

Hombres

65,9

60,0

48,9

49,2

Mujeres

50,5

39,9

32,2

32,5

12 a 18 años

32,3

27,2

18,14

18,1

19 a 25 años

64,0

60,8

55,4

50,2

Año 2006

Año 2008

Año 2010

Año 2012

Hombres

9,7

8,8

7,1

9,8

Mujeres

4,7

4,2

2,1

4,4

12 a 18 años

7,4

9,1

5,3

6,7

19 a 25 años

18,5

17,9

12,3

17,5

Año 2006

Año 2008

Año 2010

Año 2012

Hombres

2,0

3,2

1,2

1,3

Mujeres

0,6

0,6

0,1

0,5

12 a 18 años

0,7

1,0

0,4

0,3

19 a 25 años

2,8

3,8

1,3

2,0

Tabla 6. Consumo alcohol mensual. Características

Tabla 7. Consumo marihuana en el último año*. Características

Tabla 8. Consumo de cocaína en el último año*. Características

H C E P C 174

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Tabla 9. Consumo de pasta base*. Características

Año 2006

Año 2008

Año 2010

Año 2012

Hombres

0,6

0,5

0,3

0,4

Mujeres

0,0

0,2

<0,1

<0,1

12 a 18 años

0,2

0,2

0,1

0,0

19 a 25 años

0,2

1,1

0,2

0,3

* Porcentaje de personas que declaran haber consumido al menos 1 vez en los últimos 12 meses.

e. Causas del consumo de drogas Algunos estudios realizados en el año 1999 en estudiantes chilenos que cursaban 8º año básico y cuarto medio, muestran que los estudiantes que presentan mayores factores de riesgo son aquellos que manifiestan conductas agresivas y los que poseen amigos y amigas que consumen, además de problemas familiares y dificultades en el colegio. Pero principalmente debemos considerar que son las características individuales o del ambiente las que inciden en la persona y la hacen propensa al consumo de drogas. Tabla 10. Causas del consumo de drogas. Causas del consumo

Porcentaje

Bajo nivel de autoestima

17,4%

Mal uso del tiempo libre

47,7%

Falta de líderes juveniles

13%

Otras

4,3%

H C E P C 175


Biologí� human� � salu� f. Medidas de prevención

Es difícil recuperar a un individuo que es víctima de las drogas, por lo cual, y con mayor razón, es necesario insistir sobre las medidas de prevención. Por estar más vulnerables a las influencias del medio ambiente, la prevención adquiere mayor importancia en los jóvenes, especialmente los adolescentes. Es importante que el niño y el adolescente se desarrollen en un grupo familiar que les brinde seguridad, ejemplo, apoyo y comprensión. Es relativamente frecuente que los drogadictos provengan de hogares en los que falta la imagen estable del padre, o no existe una relación de afecto entre los miembros de la familia, o bien hay un abandono de hecho o solapado de los hijos. Otros ámbitos que influyen en el abuso de drogas es el social y cultural. Aquí, al igual que en la familia, van a influir en el desarrollo del joven los valores que en la sociedad imperen, las expectativas de vida que encuentre en su ambiente, etc. En concreto, se expresa en aspectos básicos como el acceso a la educación, las atenciones de salud, la recreación incluyendo deportes, las oportunidades laborales, etc. Por otro lado, es de gran importancia conocer los efectos devastadores que produce la droga en un enfermo, su familia y en la sociedad. Ya se ha demostrado que las consecuencias del consumo de drogas de abuso apuntan hacia un aumento de la delincuencia, inestabilidad laboral y desinterés familiar y social. En la actualidad existen diferentes instituciones preocupadas de prevenir y combatir el consumo de drogas y su abuso, además de centros encargados de la rehabilitación de los enfermos drogadictos.

Actividades

1.

¿Qué tipo de droga se comienza a consumir a más temprana edad? ¿Qué droga se comienza a consumir más tardíamente?

2.

Indica los principales factores de riesgo que predisponen a una persona a consumir drogas.

3.

Según tu experiencia, y lo que has aprendido hasta ahora, ¿qué deberíamos hacer para mantenernos alejados de las drogas?

4.

Investiga en Internet o en diferentes textos de biología, acerca de los efectos de otras drogas que consideres importantes y que sean consumidas en Chile.

2.2 Estrés El estrés es un comportamiento automático, adaptativo y defensivo, heredado, ante la amenaza, que lleva a la activación neuro-endocrina. Al decir heredado o instintivo afirmamos que no es adquirido. El estrés tiene varios componentes: estresor, regulación ante múltiples variables, condiciones psico-culturales del individuo, cambios en el medio interno con elevación de hormonas adaptativas, emoción, disposición para atacar, perseguir o arrancar. H C E P C 176

a. Agente estresor

Llamamos estresor al agente productor y estrés a la respuesta. Algunos estresores agudos pueden ser traumáticos (accidentes, incendio, asalto con arma) o psicológicos (muerte inesperada de un ser querido, importante derrota, pérdida laboral). Son también estresores el dolor físico y el sufrimiento. Por lo tanto, el agente estresor puede ser exógeno o endógeno.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� El sistema nervioso central es capaz de distinguir a los estresores y reaccionar según sean los casos. Se puede reconocer que una de las enfermedades más frecuente de nuestra época es la relacionada con estrés, porque la población vive acosada por una variedad de estresores, de modo especial en las grandes ciudades (contaminantes múltiples, tabaco, droga, violencia, tráfico, robo, etc.). b. Efecto de los agentes estresores en nuestro cuerpo

El cerebro recibe la acción del estresor (agente productor) y la transmite a un centro de procesamiento ubicado en la base del cerebro, llamado hipotálamo. Este centro tiene a su cargo el control de la temperatura, consumo y distribución del agua y electrolitos, apetito y saciedad, control de hormonas y otras funciones. Para enfrentar una situación de estrés, nuestro organismo requiere aumentar la cantidad de sangre que llega al cerebro y a los músculos, además de aumentar el aporte de oxígeno y glucosa. El procesamiento de las señales de estrés lleva a la liberación de adrenalina y cortisol en las glándulas suprarrenales, controladas por el sistema nervioso simpático. • La adrenalina produce un efecto antifatigante muscular (resistencia para correr) con estimulación de la actividad intelectual y viveza de reacciones reflejas. La adrenalina, junto con dilatar las pupilas, confiere expresión fisonómica de cierta fiereza. • El cortisol es una hormona indispensable para la vida. Entre sus variadas acciones destacamos una de las más notables: incrementa los niveles de glucosa en la sangre, actuando principalmente sobre el hígado, el cual recicla las sustancias de desecho, tales como ácido láctico, urea y otras, que produce el músculo en cada contracción. Estas sustancias salen del músculo y llegan por la circulación al hígado donde son utilizadas para regenerar glucosa. Gracias a este proceso, podemos resistir el ayuno hasta por períodos muy prolongados. +

FACTORES ESTRESANTES Impulsos nerviosos

+

Estimulación

Estimulan

HIPOTÁLAMO +

CENTROS SIMPÁTICOS EN LA MÉDULA ESPINAL

Hormonas Liberadoras

ADENOHIPÓFISIS Hormona Adrenocorticotrofina (ACTH)

Nervios Simpáticos

Hormona liberadora de Tirotrofina Hormonas del crecimiento

+

+

MÉDULA SUPRARRENAL

CORTEZA SUPRARRENAL

EFECTORES VISCERALES

HÍGADO

TIROIDES +

Adrenalina y Noradrenalina

Respuestas de estrés • Aumento de la frecuencia cardíaca. • Constricción de los vasos sanguíneos de la mayoría de las vísceras y la piel. • Dilatación de los vasos sanguíneos en el corazón, encéfalo y músculos. • Dilatación de las vías respiratorias.

Aldosterona Retención de Na+

Cortisol

• Degradación de Triglicéridos. • Glicogenólisis

• Estimula la gluconeogéne sis y la proteólisis • Reduce la inflamación.

Eliminación Retención de H+ de H 2O Reacción de alarma

Reacción de resistencia

Figura 4. Respuesta a los factores estresantes.

Hormonas Tiroideas (T3 y T4)

Incremento en la degradación de glucosa para la producción de ATP

H C E P C 177



Actividades

1.

Según el texto, ¿cómo se definiría el concepto de estrés?

2.

¿Qué es un agente estresor?

3.

¿Qué diferencia existe entre un agente estresor y el estrés? • Analiza el siguiente gráfico:

) L m 25 / g p ( n e 20 o c i t á m 15 s a l p l o 10 s i t r o c

5

1 2 3 4 horas después de la fractura de la pierna

1.

¿Qué agente estresor se estaría presentando en este caso?

2.

¿Cómo varía la concentración de cortisol en esta situación de estrés?

3.

¿Qué efectos físicos genera la presencia de cortisol en nuestro cuerpo?

c. Tipos de estrés El estrés agudo corresponde a lo que la gente frecuentemente considera como estrés: una tensión brusca pero pasajera. El estrés crónico, en tanto, se identifica con una tensión permanente que, al persistir, aunque sea con menor intensidad, de todos modos se percibe como reiterada molestia. Cada uno de estos dos tipos de estrés posee reacciones propias y distintas, pero es el estrés crónico el más peligroso y apto para producir enfermedad. ¿Cómo podemos distinguir una emoción normal de otra provocada por el estrés? En la primera, la emoción es fuerte pero con un sentido agradable y no perturba la normalidad mental, la mente permanece lúcida y todo se recupera en minutos (mera estimulación). En contraste, en la segunda la emoción es tan fuerte que la mente queda confusa, a veces por un cierto tiempo (activación). No es posible concentrarse y la persona está algo diferente, a veces por uno o dos días, con el peligro de cometer errores conductuales (accidentes laborales). ¿Puede existir estrés prolongado (crónico)?

H C E P C 178

Se ha dicho que el estrés es una respuesta ante una agresión. Entonces debería cesar una vez que cesa la agresión. Una de las demostraciones más convincentes respecto a la prolongación de la respuesta estresora proviene de la respuesta al duelo por la pérdida de un ser querido, como el padre o la madre, el cónyuge, el hijo o la hija. Durante las primeras 2 o 3 semanas, la prueba de laboratorio con los linfocitos de la sangre pone en evidencia una indiscutible inhibición inmunológica que significa caída de las defensas contra las infecciones.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En el estrés crónico prospera la enfermedad psicosomática. El estrés laboral es un tipo de estrés crónico. En este caso el paciente se siente angustiado por enfrentar un ambiente de trabajo que le es desfavorable o poco motivador. Se caracteriza por una falta de motivación del enfermo por desarrollar una actividad.

Actividades

1.

Completa el siguiente cuadro Tipo de estrés

Características

Efectos en el organismo

Ejemplo

Agudo Crónico

2.

Imagina que tú estás volando en un parapente. ¿Qué cambios fisiológicos vas a experimentar? ¿qué tipo de hormonas van a producir esos cambios?

3.

Según tu propia experiencia, ¿de qué manera podríamos prevenir una situación de estrés crónico?

4.

¿Qué rol ejerce el sistema nervioso autónomo en la respuesta al estrés?

3. Alteraciones del sistema inmunitario Desde el punto de vista patológico, el sistema inmune tiene una acción preponderante en dos situaciones: las transfusiones sanguíneas que se realizan rutinariamente, y los trasplantes, que cada día se realizan con mayor frecuencia. A continuación se analizarán los principales aspectos que involucran el sistema inmune en estas reacciones.

3.1. Rechazo a trasplantes Recordemos que los tejidos del mismo individuo o de gemelos idénticos tienen alelos MHC idénticos y, por tanto, los mismos antígenos MHC. Tales tejidos son compatibles. En vista de que hay muchos alelos para cada uno de los genes MHC, es difícil encontrar correspondencias exactas. Si se toma un tejido u órgano de un donador y se trasplanta al cuerpo de un huésped que no sea un gemelo del donador, es probable que varios de los antígenos MHC sean diferentes. El sistema inmunitario del huésped considera extraño el injerto y monta una inmunorrespuesta conocida como rechazo del injerto. Los linfocitos T atacan al tejido trasplantado y pueden destruirlo en el lapso de una semana. Antes de realizar el trasplante los tejidos del paciente y de los donadores potenciales deben tipificarse y compararse lo más minuciosamente posible. Si todos los antígenos del grupo MHC coinciden, el injerto tiene una probabilidad de un 95% de sobrevivir el primer año. Sin embargo, las correspondencias perfectas son difíciles de encontrar. Además algunos órganos, como el corazón, no pueden ceder parte de su tejido y se debe contar con el órgano completo.

H C E P C 179



Para prevenir el rechazo de injerto en casos menos compatibles, los médicos administran fármacos que suprimen el sistema inmunitario (drogas inmunodepresoras o inmunosupresoras). Desgraciadamente, si bien estas sustancias reducen el rechazo de injertos, también hacen más vulnerable al receptor del trasplante a la neumonía y otras infecciones. Entre las drogas inmunodepresoras más utilizadas, se encuentran las ciclosporinas y los corticoides. Las ciclosporinas reducen la producción de citocinas especificas, bloqueando la actividad de los linfocitos T. Los corticoides actúan como sustancias antiinflamatorias reduciendo el número de linfocitos circulantes.

Actividades 1.

Averigua por qué el trasplante de córnea tiene mayor éxito que el de otros tejidos.

2.

¿Qué tratamiento recibe una persona que ha sido trasplantada para evitar el rechazo?

3.

¿Qué medidas se deberían tomar al visitar a una persona trasplantada?

3.2. Grupos sanguíneos y transfusiones En la membrana de los eritrocitos existen ciertas proteínas llamadas aglutinógenos (antígenos), que permiten clasificar la sangre según sus características. Los principales sistemas de clasificación son ABO y Rh. a. Sistema ABO

Los aglutinógenos en este caso pueden ser de 2 tipos: aglutinógeno A y aglutinógeno B. Estas proteínas pueden combinarse de tres formas diferentes, o bien estar ausentes, dando origen a los cuatro tipos de grupos sanguíneos. A su vez, en el plasma sanguíneo existen anticuerpos, o moléculas complementarias a los aglutinógenos. Estas moléculas, llamadas aglutininas, son capaces de reconocer al aglutinógeno, uniéndose a él y generando una reacción de rechazo o aglutinación. Existen aglutininas de dos tipos: alfa o anti A y beta o anti B. Al reaccionar con el aglutinógeno específico producen aglutinación de los glóbulos rojos respectivos, la cual corresponde a un apilamiento de ellos con la consiguiente formación de grumos que pueden llegar a obstruir los vasos sanguíneos. Las personas de un determinado grupo sanguíneo poseen aglutininas en su plasma, opuestas al aglutinógeno presente en las membranas de sus glóbulos rojos (así se evita la autoaglutinación). Este es un dato importante de tener en cuenta al realizar una transfusión sanguínea. Por ejemplo, una persona del grupo O, cuyos glóbulos rojos no poseen aglutinógenos, podrá tener aglutininas anti A y anti B, sin peligro de autoaglutinación.

b. Transfusiones sanguíneas H C E P C 180

Una transfusión es una inyección endovenosa de sangre de un individuo llamado dador hacia un individuo llamado receptor, entre cuya sangre existe compatibilidad.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Para que una transfusión se realice sin riesgos para el receptor, es decir, sin aglutinación de los eritrocitos transfundidos, es necesario saber qué clase de aglutinógeno tiene el dador y qué clase de aglutinina tiene el receptor. En este caso no interesa la aglutinina del dador, pues se diluye en el plasma del receptor. Tabla 11. Grupos sanguíneos. Grupo

Aglutinógeno (Eritrocito)

Aglutinina (Plasma)

Transfusiones Sanguíneas

AB A B 0

AyB A B Ninguno

No tiene Beta o anti B Alfa o anti A Anti A y anti B

0 A

B AB

c. Sistema Rh

Se han encontrado además, en la superficie del eritrocito, otras moléculas (antígenos) que constituyen un marcador específico llamado factor Rh. Cuando existe esta molécula, la sangre es Rh+ y cuando no se encuentra, la sangre es Rh-. Si la sangre es Rh+, no existen anticuerpos anti Rh (moléculas similares a las aglutininas; se encuentran en el plasma y reaccionan específicamente con el marcador Rh, provocando aglutinación y lisis de los eritrocitos). Cuando la sangre es Rh-, en condiciones normales el plasma no contiene anticuerpos anti Rh, pero si una persona Rh- recibe una vez sangre Rh+, comenzará a fabricar anticuerpos anti Rh que permanecerán en la sangre. Este sistema adquiere gran importancia en caso de transfusiones y embarazo. En relación al embarazo, existe una situación muy particular: la de aquellas mujeres que son Rh - y tienen un hijo Rh+. Durante el parto es posible que algunos glóbulos rojos del niño pasen a través de la placenta, tomando contacto con la sangre de la madre. De esta forma su sistema inmunitario fabrica anticuerpos anti Rh, lo cual no es problema para el primer hijo. Pero si la mujer se embaraza por segunda vez, sus aglutininas anti Rh cruzarán la placenta hacia la sangre fetal. Si el feto es Rh+, se presentará la enfermedad hemolítica del recién nacido o también llamada eritroblastosis fetal. Esta situación se presenta en la Fig. 5.

H C E P C 181



Primera etapa

RhRh+ Rh-

Rh+

Rh-

Rh+

Rh-

Rh+

Rh+ Rh+

Rh-

Rh+

Madre

Primer hijo

(Mezcla de sangre durante el parto)

Segunda etapa (luego del parto)

Tercera etapa

Factor Rh Rh

Rh-

-

Rh-

RhRhRh-

Rh-

Rh-

Anti Rh Anticuerpos

Madre

Madre

Cuarta etapa RhRh+ Rh-

Rh+

RhRhRh-

Rh+

Rh

+

Reacción

Placenta

Segundo hijo

Madre

Figura 5. Factor Rh y embarazo.

3.3. Autoinmunidad Durante el desarrollo de los linfocitos mediante mecanismos complejos, se establece la autotolerancia o autorreconocimiento, de modo que dichas células no atacan tejidos del propio organismo. Sin embargo, quedan algunos linfocitos con el potencial de ser autorreactivos, o sea, de montar una inmunorreacción contra los tejidos propios del cuerpo. Tal autorreactividad da por resultado una forma de hipersensibilidad conocida como enfermedad autoinmune. La enfermedad autoinmune puede resultar de la existencia de autoanticuerpos que actúan contra antígenos de la superficie celular. En otros casos, la enfermedad está dada por la presencia de linfocitos T autorreactivos, como ocurre en la esclerosis múltiple. El tratamiento de estas patologías considera el empleo de drogas inmunodepresoras y antiinflamatorios. A futuro se busca eliminar selectivamente a los clones celulares responsables de estas afecciones y así controlar la evolución de la enfermedad.

H C E P C 182

3.3.1 Enfermedades por autoinmunidad Se refieren a enfermedades en donde el sistema inmunitario falla en el reconocimiento de los antígenos propios (autoantígenos) y los ataca generando la enfermedad autoinmune. Dentro de estas enfermedades se cuenta el lupus eritematoso sistémico, la artritis reumatoide, la esclerosis múltiple, etc.


a

Célula precursora de linfocitos

a Población de linfocitos inmaduros Autoantígeno o antígeno propio

b

Estos tipos de linfocitos se generan durante nuestra vida embrionaria.

b

Continúan su maduración Este tipo de linfocito es destruido

c

La célula precursora de linfocitos genera una gran variedad de linfocitos que posteriormente se encargarán de la defensa contra antígenos extraños.

Se genera este tipo de linfocito por mutación de un tipo distinto alcanzando el estado de madurez, pudiendo reaccionar con el autoantígeno

Proliferación que provoca la enfermedad por autoinmunidad

Cuando uno de estos tipos reacciona con un antígeno propio (autoantígeno), es eliminado antes de que alcance la madurez.

c En oportunidades se produce la mutación de un tipo de linfocito inofensivo a otro que ya se había eliminado. Este nuevo linfocito alcanza la madurez, y al enfrentar al autoantígeno se vuelve reactivo generando la enfermedad autoinmune.

Figura 6. Proceso que desencadena una enfermedad auto inmune.

Ejemplos de enfermedades autoinmunes: a. Lupus eritematoso sistémico Características: es una enfermedad autoinmune de causa desconocida. La persona que la padece posee anticuerpos dirigidos contra los componentes nucleares de las células de sus propios tejidos. Los anticuerpos antinucleares atacan diferentes antígenos tales como ADN, ARN, proteínas histónicas, etc. b. Miastenia grave Características: esta enfermedad resulta de una disminución de los receptores para acetilcolina, neurotransmisor responsable de la contracción de los músculos esqueléticos, principalmente. Las causas de la disminución de los receptores se relaciona con la presencia de anticuerpos anti-receptor de acetilcolina.

3.4. Alergias Corresponden a un grupo de enfermedades que afectan aproximadamente al 20% de la población, el cual generalmente tiene antecedentes familiares. Se definen como un grupo de enfermedades de causa inmunológica, cuyos síntomas se deben a la liberación de factores que actúan sobre los vasos sanguíneos (sustancias vasoactivas). Estos factores son producidos por las células cebadas o mastocitos. Las alergias más frecuentes son la urticaria, la rinitis alérgica, la dermatitis, el asma bronquial, la alergia a la picadura de insectos, a los medicamentos y los alimentos. Las alergias corresponden a una respuesta exagerada del organismo (hipersensibilidad) contra antígenos que son inofensivos para la mayoría de los individuos. La primera etapa de la enfermedad corresponde a la sensibilización, donde se toma contacto por vez primera con el antígeno (alérgeno). Luego viene una segunda etapa de reacción a una nueva exposición al alérgeno.

H C E P C 183



Las personas alérgicas tienen una mayor predisposición a producir inmunoglobulina E (Ig E). La sustancia denominada alérgeno es un antígeno, que puede estar presente en el polen, alimentos, fármacos, etc. Este alérgeno toma contacto con el organismo a través de la piel, las vías respiratorias o el aparato digestivo, órganos donde se presentan los síntomas más habitualmente. Una de las reacciones más intensas es la que se desencadena por la Ig E, que se une a receptores de células que contienen gránulos de secreción de histamina. Las células se encuentran en los tejidos (células cebadas y mastocitos) y circulando (basófilos). Los mastocitos se encuentran preferentemente en la piel y mucosas respiratoria y digestiva. Entre los efectos de la histamina se pueden contar: • Aumento de la permeabilidad vascular. • Vasodilatación. • Edema. La histamina es responsable de la hipersensibilidad inmediata. La forma más extrema de reacción sistémica, llamada anafilaxis. Es de urgencia médica, puesto que puede llevar a una constricción intensa de los bronquios con peligro de asfixia y producir colapso cardiovascular que lleva a la muerte del afectado. Es poco frecuente, pero grave. Dentro de las sustancias que pueden provocar anafilaxis se cuentan las penicilinas, las sulfas, las picaduras de abejas, y avispas, alimentos como el plátano, el maní, los huevos, el pescado, etc. El desarrollo de las alergias tiene múltiples etapas. En individuos genéticamente susceptibles a algún antígeno proteico ambiental (alérgeno) estimula a linfocitos T que promueven la producción de Ig E en las células B específicas contra el mismo antígeno. La Ig E producida circula por el organismo y se une a receptores existentes en la superficie de las células cebadas en varios tejidos y de los basófilos circulantes. Si posteriormente se introduce de nuevo el mismo antígeno, este será reconocido por las Ig E que se encuentran en la superficie de estas células y se producirá la activación de ellas que resulta en la descarga rápida de histamina. En la Fig. 7 se presenta un esquema que muestra este mecanismo fisiopatológico de la alergia con el caso de la rinitis alérgica. 1. La

exposición previa a polen hace que las células plasmáticas produzcan IgE específica para polen.

1

Granos de polen

La IgE se combina con receptores en mastocitos presentes en el recubrimiento de las vías respiratorias superiores.

Mucosa nasal

Célula plasmática

2.

3 2

3. El

polen es inhalado en una segunda oportunidad.

Antígenos solubles

4. El

alergeno se combina con la región variable de la IgE en la superficie del mastocito sensibilizado

mastocito libera histamina y otras sustancias

4 Mastocito

5. El

Esta liberación causa: - Aumento de la vasodilatación

5 Histamina y otros compuestos

6.

- Aumento de la permeabilidad capilar, de lo que resulta edema, enrojecimiento, constricción de las vías respiratorias

6

Síntomas tipo fiebre del heno

Figura 7. Mecanismo de la alergia. H C E P C 184

Las manifestaciones clínicas y patológicas de la hipersensibilidad inmediata se deben a la acción de l os factores liberados (histamina, citoquinas, bradicinina, etc.), algunos de los cuales inducen la inmediata reacción vascular y de músculo liso, mientras otros estimulan la llegada de leucocitos que resulta en la fase de reacción tardía.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� El tratamiento de las alergias considera el empleo de antihistamínicos que, en algunos casos, se combinan con descongestionantes.

4. Vacunas Es posible inducir inmunidad activa mediante inmunización. La inmunidad activa se desarrolla después de la exposición a antígenos. Esta inmunidad además puede ser inducida en forma natural y artificial. Si, por ejemplo, una persona con varicela estornuda junto a uno y nos contagia, desarrollaremos inmunidad activa natural. También se puede inducir inmunidad activa artificialmente por inmunización exponiéndonos a una vacuna. Las vacunas son preparados de antígenos de organismos patógenos y, por lo regular, contienen a los mismos microorganismos, pero atenuados o muertos. Los antígenos provocan una respuesta inmunitaria, la cual crea memoria y da pie a una respuesta rápida, si se presenta una infección real.

Células de memoria Antígenos

Anticuerpos que permanecen en la sangre

Destrucción de los antígenos

Activación de los linfocitos B Células plasmáticas

B

Vacuna

Anticuerpos específicos

Figura 8. Efectos de la vacunación.

La siguiente tabla muestra distintas formas de preparación de vacunas: Tabla 12. Modo de preparación de vacunas comunes. Vacuna

Modo de preparación

Agente

Antirrábica

Médula espinal de conejo atacado por rabia, conservada en aire seco durante 14 horas.

Virus inactivos (muertos).

Tifoidea

Bacilos sometidos a la acción de formol y calor.

Bacilos muertos atenuadas.

Tuberculosis

Bacilos tuberculosos de bovinos atenuados después de 13 años de cultivo.

Bacilos vivos atenuados.

Difteria

Toxina diftérica sometida a la acción de formol y calentamiento durante un mes.

Hepatitis B

Envolturas virales obtenidas de la sangre de portadores sanos.

Toxina neutralizada.

(inactivos)

y

vacunas

H C E P C 185

Extracto viral.



Actividades

1.

¿Por qué se considera al grupo O como dador universal y al grupo AB como receptor universal?

2.

Durante una transfusión incompatible, ¿por qué el receptor es el que produce la aglutinación de la sangre que recibe? y ¿por qué la sangre transfundida no genera aglutinación de la sangre del receptor?

3.

¿Por qué los glóbulos rojos del grupo O no son aglutinados por ningún tipo de sangre?

4.

¿Cuándo una persona Rh – forma anticuerpos anti Rh?

5.

Define con tus propias palabras los siguientes conceptos: • •

Alergia: Reacción anafiláctica:

6.

Explica la forma en la cual se lleva a cabo una reacción alérgica, reconociendo en ella sus principales etapas.

7.

¿Qué relación se podría establecer entre una reacción alérgica común y una reacción anafiláctica?

8.

¿Qué tratamiento es recomendable para evitar o disminuir los efectos de una reacción alérgica?

Enfermedad Difteria

Máximo n° de casos

Año del n° de casos máximo

N° de casos en 1992

Porcentaje de disminución

206.939

1921

4

99,99

Polio

21.269

1952

4

99,98

Rubéola

57.686

1969

160

99,72

1.560

1923

45

97,12

Influenza

20.000

1984

1.412

93,94

Hepatitis B

26.611

1985

16.124

29,40

Tétano

• De acuerdo con la tabla anterior, ¿qué importancia le atribuyes a las vacunas?, ¿qué significado han tenido en la historia de la medicina?

9.

H C E P C 186

Una niña observaba cuando su madre recibía la vacuna contra la influenza, le preguntó: ¿Mamá, por qué te inyectan si no estas enferma?”, a lo cual la madre respondió: “Para que no me enferme”. Explique de qué forma la vacuna contra la influenza previene la enfermedad.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5. Problemas infecciosos contemporáneos Antes de tratar este tema, debemos conocer las características más importantes de infectocontagiosas.

las enfermedades

Un pequeño porcentaje de los millones de microorganismos presentes en el medio ambiente vive en nuestro cuerpo o sobre él. Algunos de ellos son inocuos, o incluso beneficiosos (saprófitos), pero otros provocan diferentes enfermedades que pueden tener poca importancia, como el resfriado, o que pueden ser mortales, como la rabia. Las mayorías de estas enfermedades son infecciosas, es decir, pueden ser trasmitidas de una persona a otra. En salud, aquel microorganismo que altera la homeostasis del huésped, enfermándolo, se denomina agente patógeno. La infección es la presencia y replicación del agente patógeno en el huésped; y la enfermedad es el conjunto de manifestaciones clínicas de la infección (síntomas). Las enfermedades infectocontagiosas presentan tres fases de evolución: • Período de incubación: este período trascurre desde que ingresa el agente patógeno hasta la aparición de los primeros síntomas. El agente se multiplica e invade al huésped. • Período de desarrollo: este período se caracteriza por la aparición de los síntomas, primero inespecíficos y luego específicos, que permiten el diagnóstico de la enfermedad. • Período de convalecencia: en este período ya no se presentan síntomas sino solo el agotamiento producido por la reacción del organismo a la infección y al tratamiento terapéutico. Generalmente, el huésped enfermo puede trasmitir los agentes a un huésped susceptible en los períodos de incubación y desarrollo. Algunas de las enfermedades infectocontagiosas contemporáneas más relevantes por su frecuencia o gravedad que existen en la actualidad son el SIDA, el Hanta y la gripe.

5.1 Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) • Características: El SIDA es un padecimiento en el cual la persona sufre una amplia variedad de infecciones como resultado de la destrucción progresiva del sistema inmunitario por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH). El virus VIH está presente en altos niveles en la sangre y en el semen de los individuos infectados y se transmite por contacto sexual (heterosexual u homosexual, oral, vaginal o anal) y a través del intercambio de sangre o sus productos. El virus también se transmite por exposición directa a sangre contaminada (transfusión o drogas inyectables) y por traspaso de la madre al feto durante el embarazo o al niño durante la lactancia.

•

Patogénesis de la infección: El VIH pertenece a un grupo de virus llamados retrovirus, los cuales constan de ARN como material genético. Este virus está además limitado externamente por una bicapa lipídica en la cual se insertan las glucoproteínas gp 40 y gp 120. Estas glucoproteínas son muy importantes, porque a través de ellas el virus logra introducirse en las células del sistema inmune.

H C E P C 187



Glucoproteínas

Envoltura (bicapa lipídica)

Cubierta proteica

Espinas

Proteínas centrales RNA viral recubierto de proteína

Transcriptasa inversa

Figura 9. Virus de inmunodeficiencia humana (VIH).

A fin de replicarse, el virus debe ingresar en la célula huésped, de la cual utiliza sus enzimas, ribosomas y nutrientes para generar copias de su información genética, a través de la enzima viral transcriptasa inversa, la cual elabora una molécula de ADN, a partir del ARN viral. El principal blanco del VIH son los linfocitos de ayuda o T 4, puesto que la glucoproteína viral gp 120 se une a una proteína de superficie de estos linfocitos. Una vez dentro de los linfocitos T 4, se libera el ARN de su cápsula y la transcriptasa inversa cataliza la transcripción de ADN complementario y su incorporación a un cromosoma de la célula hospedadora. En el cromosoma de esta célula, este ADN complementario puede permanecer latente durante cierto tiempo. Sin embargo, tarde o temprano comienza la replicación de nuevas partículas virales. Así, en un periodo relativamente breve, una enorme cantidad de nuevos virus emerge del linfocito T 4 infectado, el cual por lo general es destruido en el proceso. Estos virus invaden otros linfocitos T y el proceso se repite. Como los linfocitos T 4 juegan un papel crucial en el sistema inmune ayudando a las células B a producir anticuerpos y a la activación de los linfocitos citotóxicos, su destrucción por la infección viral deja al organismo a merced de una variedad de microorganismos, tanto patógenos como oportunistas.

H C E P C 188


Exposición a semen o sangre que contienen VIH

Nivel de funcionamiento inmunitario

¿Factores psicosociales?

Factores genéticos

No hay infección

Otros factores ambientales

Infección

Período latente

Avance de los síntomas

SIDA

Inmunodepresión

Inflamación de ganglios linfáticos, sudoración nocturna, fiebre, pérdida de peso

Infecciones oportunistas

Complejo de demencia por SIDA

Muerte

Figura 10. Infección con VIH.

• Sintomatología

Algunos de los primeros signos de la infección son fiebre, inflamación de los ganglios linfáticos y dolores musculares. Estos síntomas van disminuyendo dentro de dos a tres semanas a medida que el sistema inmune empieza a tomar cierto control sobre el virus. Sin embargo, el sistema inmune rara vez logra eliminar completamente al virus y la enfermedad entra en su fase crónica. Alrededor de los seis meses se llega a un equilibrio entre la producción del virus y su eliminación, que se ve reflejado en niveles más o menos constantes y relativamente bajos del virus en la sangre (esta fase varía entre un paciente y otro). Durante este largo período los enfermos se sienten relativamente bien o solo muestran escasos y leves síntomas; el organismo responde con la producción de gran cantidad de linfocitos T 4 para tratar de mantener sus niveles dentro de un margen útil para la defensa. Cuando el nivel cae bajo 200 células por mililitro cúbico, se dice que el paciente ha desarrollado el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Cuando se desarrolla SIDA, el cuadro se hace letal rápidamente en uno o dos años. El curso de la enfermedad puede variar enormemente entre los pacientes. Algunos pueden morir en el primer año de la infección por VIH mientras otros pueden mantenerse por 20 años o más.

H C E P C 189



•

Tratamiento

En este momento, la infección por VIH, no es curable y, y, pese a amplias investigaciones, no se tiene una vacuna eficaz eficaz que brinde inmunidad contra el virus. Las drogas que que se utilizan actualmente están dirigidas a bloquear la replicación intracelular del virus inhibiendo dos de las enzimas virales cruciales en este proceso, la transcriptasa inversa y la proteasa. Sin embargo, este tratamiento aún es demasiado costoso como para ser utilizado masivamente. Cada droga debe tomarse tomarse a horas bien definidas del día y en una secuencia ordenada. Si el enfermo no sigue estrictamente el esquema, corre el riesgo de que en su organismo se seleccionen virus resistentes a las drogas. En un paciente sin tratamiento se pueden producir alrededor de 10 billones de partículas virales diariamente. En este proceso de replicación se producen mutaciones y por lo tanto, aparecen variaciones genéticas en distintas partículas virales. Aun cuando un paciente no haya sido tratado nunca, al empezar una terapia se encontrarán virus naturalmente resistentes o en vías de lograr acumular mutaciones suficientes para que aparezca resistencia. Por Por esto no se utilizan util izan drogas únicas sino una combinación para evitar la proliferación, atacando al menos dos puntos del ciclo reproductivo al mismo tiempo.

•

Aspectos culturales y éticos

Contra el el miedo, los prejuicios prejuicios y la discriminación, la práctica de la solidaridad es fundamental. Los derechos de los infectados y obligaciones de todos, de mayor importancia son: 1.

Nadie tiene derecho derecho a restringir la libertad libertad o los derechos de las personas que conviven con el VIH, cualquiera sea su raza, nacionalidad, religión, sexo u orientación sexual. De esa forma ninguna persona que vive con el VIH será sometida a aislamiento, cuarentena o cualquier tipo de di scriminación.

2.

Toda persona que convive con el VIH tiene derecho derecho a la participación en todos los aspectos de la vida social.

3.

Toda persona que convive convive con el VIH tiene derecho a la continuación de su vida civil, profesional, profesional, sexual y afectiva.

4.

La privacidad de la persona infectada por el VIH deberá estar asegurada por todos los servicios médicos y asistenciales.

5.

Toda persona que vive con con el VIH tiene derecho a la asistencia y al tratamiento, tratamiento, suministrados ambos sin ninguna restricción y garantizando su mejor calidad de vida.

5.2 Virus Hanta • Características

El hantavirus es un virus ARN que ingresa ingresa en forma específica en en las células. Este virus produce produce el llamado síndrome pulmonar, pulmonar, enfermedad infecciosa aguda muy grave con una mortalidad cercana cercana al 50%. H C E P C 190

El reservorio reservorio de hantavirus son ratones silvestres. silvestres. En Chile, en la región región de Aysén existen varias varias especies especies de ratones silvestres que portan este virus, entre los cuales el más destacado es el ratón colilargo (Oligoryzomys longicaudatus), cuyo hábitat se extiende desde el extremo sur del desierto de Atacama hasta la XI región. Esto demuestra la incidencia que puede tener esta enfermedad en nuestro país.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� • Sintomatología Los primeros síntomas se asemejan a los de un resfrío resfrío común, y se acompañan de fiebre, dolor de cabeza, dolores abdominales, musculares y en la parte baja de la columna, náuseas y vómitos. Luego, los síntomas se agudizan y se produce una brusca alza de temperatura y, como síntoma principal, dificultad para respirar, respirar, producida por acumulación de líquido en los pulmones.

• Prevención Para prevenir esta enfermedad se han considerado considerado una serie de medidas, especialmente especialmente en zonas zonas rurales: rurales: w

No ingresar a lugares o habitaciones que han permanecido cerrados por algún tiempo, sin antes ventilarlos por aprox. aprox. 30 minutos.

w

Mantener siempre medidas generales de higiene en toda la casa, especialmente en la cocina y utensilios.

w

Guardar los alimentos en recipientes recipientes cerrados y no dejar restos de comida sobre muebles, en el suelo, etc.

w

Guardar la basura en recipientes cerrados.

w

Mantener cortados cortados a ras de suelo las malezas y pastizales alrededor alrededor de la casa y despejarla de desechos en un amplio radio de más de 30 metros.

w

No matar a los depredadores depredadores naturales naturales de ratones ratones como zorros, lechuzas lechuzas y culebras. culebras.

Actividades

1.

Explica el modo en que que el virus del VIH afecta a los linfocitos T.

2.

Explica la forma en la cual el el virus del VIH afecta a nuestro organismo.

3.

Indica los modos de prevención que usted utilizaría para evitar el contagio contagio con el virus del VIH. VIH.

4.

Si vas de excursión a la cordillera, cordillera, ¿qué medidas preventivas preventivas considerarías para evitar el contagio con el virus Hanta?

5.

Investiga cómo ha sido la evolución del virus Hanta en nuestro país. H C E P C 191




1.

Salud: estado de completo bienestar físico, mental y social; y no solamente la ausencia de enfermedades.

2.

Hipersensibilidad: alteración del sistema inmune que se refiere a una inmunorreacción nociva exagerada a un antígeno que normalmente es inofensivo.

3.

Reacción alérgica : reacción en la que la hipersensibilidad da como resultado la producción de anticuerpos (inmunoglobulinas) contra antígenos de escaso poder, llamados alergenos, que normalmente no estimulan una inmunorreacción.

4.

Vacuna Vacuna: antígeno muerto o debilitado que se produce comercialmente comercialmente para combatir combatir una enfermedad específica. Estimula al cuerpo a producir inmunoglobulinas (anticuerpos) contra ese patógeno.

5.

Suero : corresponde a una forma de inmunidad pasiva, ya que se inyectan inmunoglobulinas (anticuerpos) fabricados por otro animal y que tienen una vida de acción relativamente corta.

6.

Estrés: se refiere a un comportamiento automático, adaptativo, heredado y defensivo ante la amenaza, que lleva a la activación neuro-endocrina.

7.

Síndrome de privación: se refiere al conjunto de síntomas y signos que se presentan al suspender bruscamente la administración de una droga. Los efectos pueden ser drásticos e incluso pueden provocar la muerte.

8.

Tolerancia Tolerancia: es la capacidad decreciente de respuesta a las mismas cantidades de droga. También se puede explicar como la necesidad de aumentar progresivamente la cantidad de droga para obtener la misma respuesta original.

9.

Dependencia: es el estado en el cual un adicto debe continuar consumiendo la droga para evitar los síntomas que resultan de la abstinencia.

Trasplante: 10. Trasplante 11.

H C E P C 192

técnica médica en que se implanta un tejido propio o ajeno.

Autoinmunidad: alteración del sistema inmune que consiste en que los linfocitos T se vuelven reactivos contra los tejidos propios, generando daño tisular, como en el caso de las enfermedades artritis reumatoide, esclerosis múltiple, etc.


s a i g r e l A

a i r a m i r P

a i r a d n u c e S

d a d i n u m n i o t u A

a i r a i c r e T

s e n u m n I

n ó i c n e v e r P

n ó a i e c n a í n u i t g u n l a g s A

s a t e o n z a a l h p c s e a r R t l a i c o S

d u l a s e d o d a t s E

r a t s e n e i b o t e l p m o C

l a t n e M

o c i n ó r c s é r t s E d a d e m r e f n E

s e l a t n e M

s é r t s E o d u g a s é r t s E

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e n d ó l d i a l c r u n g a e e s t t A i n

s e l a i c o S

. . . n s o ó i c i c s c á i b d a s o g t o p r D e c n o c

n ó i c a a i v a i n c i o i c r ó n p t e i c d n e a b c n r á i e d e d l H A p o e e T m o D r d n í S

H C E P C 193

H C E P C

194

Capítul� 7 Herenci�, variació� � evolució�




Conocer el desarrollo histórico de las ideas en torno a la evolución orgánica.



Reconocer el aporte de Darwin y Wallace a la teoría de la evolución.



Reconocer los aportes de las distintas evidencias que han surgido en torno al proceso evolutivo, en la formulación de las teorías evolutivas.



Explicar los conceptos de selección natural, especiación y evolución.



Conocer el concepto de adaptación y su implicancia en la reproducción y supervivencia de los seres vivos.



Reconocer la adaptación como parte del proceso e historia evolutiva de los seres vivos.



Relacionar las diferentes formas de adaptación con su función y con el ambiente en que viven las especies que las presentan.



Comprender el proceso histórico que da origen a la diversidad de especies.


Herenci�, variació� � evolució�

Introducción Es bien sabido que Charles Darwin fue el fundador de la teoría moderna de la evolución. Aunque no fue el primero en proponer que los organismos evolucionan o cambian, a lo largo del tiempo, sí fue el primero en acumular una cantidad importante de evidencia en apoyo a esto y en proponer un mecanismo válido por el cual podría ocurrir la evolución. Antes de Darwin, el origen de las especies se consideraba un misterio. Por ello casi todos los pueblos del mundo se inclinaron hacia la hipótesis del creacionismo o fixismo, la cual postulaba que todas las formas vivas existentes habían sido creadas por un ser superior en un momento particular y, desde ese tiempo, habrían permanecido hasta hoy, fijas, sin alteración. Incluso creían que la mayoría de los organismos habían sido creados para el servicio o el placer de la humanidad. Sin embargo, a lo largo de la historia, los científicos han buscado causas naturales, más que sobrenaturales, para explicar los acontecimientos de la naturaleza.

1. Historia del pensamiento evolucionista 1.1 Teoría de los caracteres adquiridos Uno de los primeros científicos en proponer un mecanismo para la evolución fue el biólogo Francés Jean Baptiste Lamarck, quien propuso en 1809, que los organismos evolucionan a lo largo del tiempo, dando lugar a la variedad de seres vivos existentes. A Lamarck lo impresionó la progresión de formas en el registro fósil. Los fósiles más antiguos solían ser más sencillos, mientras los más recientes eran más complejos y se parecían más a los organismos recientes. Lamarck interpretó estas evidencias como si las formas más complejas hubiesen surgido de las formas más simples por una suerte de progresión. De acuerdo con su teoría, esta progresión o evolución, depende de dos fuerzas principales. La primera es la herencia de los caracteres adquiridos. En ella los seres vivos pueden modificar su cuerpo por medio del uso o el desuso de sus partes. Estas modificaciones podían ser heredadas por la descendencia. Su ejemplo más famoso fue la evolución de la jirafa. De acuerdo con Lamarck, la jirafa moderna evolucionó de antecesores que estiraron sus cuellos para alcanzar las hojas de las ramas más altas. Estos antecesores transmitieron los cuellos más largos, adquiridos por estiramiento, a su progenie, que, en forma sucesiva, los estiró cada vez más. La segunda fuerza en el concepto de evolución de Lamarck fue un principio creador universal, un esfuerzo inconsciente y ascendente, que impulsaba a cada criatura viva hacia un grado de complejidad mayor. Alrededor de 1900, August Weismann echó por tierra estos postulados al realizar un experimento muy sencillo. Cortó la cola de los ratones por varias generaciones y observó que los nuevos ratoncitos que nacían lo hacían con su cola. Esto demostró que el medio ambiente no es capaz de inducir modificaciones estructurales que sean heredables.

1.2 Teoría de la evolución por selección natural

H C E P C 196

Charles Darwin (1809 - 1882) fue hijo de un médico de reconocido prestigio y nieto de Erasmus Darwin, científico de ideas evolucionistas. A los 22 años de edad, inició una expedición en la embarcación británica H.M.S. Beagle, con el fin de estudiar l a diversidad de formas vivas, presentes en todas las latitudes del planeta. En su recorrido por Sudamérica (costas de Brasil, Argentina, Chile, Ecuador y Perú), Darwin quedó sorprendido por las grandes diferencias espaciales y temporales en la diversidad de formas vivientes. En Chile, por ejemplo, encontró restos de organismos marinos muy lejos de la costa.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En las islas Galápagos (Ecuador), descubrió diferentes organismos: tortugas gigantes, iguanas terrestres y marinas; además de plantas, insectos, lagartijas y conchas marinas muy extrañas. En Chile existen especies con su nombre, como el sapito de Darwin (Fig. 1). Darwin había notado con anterioridad que ambientes similares no siempre eran habitados por organismos del mismo tipo, hecho que era mucho más evidente en las islas Galápagos. Por ejemplo, Figura 1. Rhinoderma darwini. en las islas no existían las mismas aves insectívoras observadas en el Continente. En su lugar, otra especie de ave, los pinzones, había asumido este tipo de alimentación. En cada isla existía un tipo diferente de pinzón, quienes a pesar de ser semejantes, presentaban claras diferencias en el tipo de alimentación y en algunas características morfológicas relacionadas con su dieta. ¿Podrían haberse originado las diferencias entre estos organismos por habitar islas separadas? En 1836, Darwin regresó a Inglaterra y se estableció como uno de los naturistas de renombre en ese tiempo. Constantemente tenía en mente el problema del origen de las especies. En 1837 escribió su primer borrador sobre la transmutación de las especies; en el planteó que únicamente el cambio en las especies podía explicar razonablemente las estructuras similares compartidas por un grupo de ellas. En resumen, la única causa conocida para la semejanza de los individuos es su parentesco. Poco después de su regreso Darwin tomó conocimiento de un tratado sociológico breve, pero muy comentado, escrito por el reverendo Thomas Malthus. En este ensayo Malthus advertía, al igual que los economistas lo han hecho desde entonces, que la población humana estaba incrementándose tan rápidamente, que en poco tiempo sería imposible alimentar a todos los habitantes del planeta. Darwin vio que la conclusión de Malthus de que la disponibilidad de alimentos y otros factores limitan el crecimiento de la población, es válida para todas las especies, no solo para la humana.

(a) Pinzón de tierra grande, con pico idóneo para comer semillas grandes.

(c) Pinzón gorjeador, con pico idóneo para comer insectos.

(b) Pinzón de tierra pequeño, con pico idóneo para comer semillas pequeñas.

(d) Pinzón arbóreo vegetariano, con pico idóneo para comer hojas.

Figura 2. Pinzones de las islas Gal ápagos.

A partir de estas ideas, Darwin consideró que si en una población nacen más individuos de los que los recursos ambientales pueden sostener, debería existir entre ellos una lucha constante por sobrevivir. Solo aquellos que presenten alguna ventaja por sobre los demás podrían llegar a la edad adulta y reproducirse. Así los miembros de una población serían seleccionados por la naturaleza, transmitiendo a las siguientes generaciones aquellas características que los hicieron ventajosos, de manera que la proporción de individuos con rasgos favorables para sobrevivir en el ambiente aumentaría de generación en generación. Según Darwin, las variaciones que aparecen en cada población natural y que se heredan entre los individuos son una cuestión de azar. No las produce el ambiente, ni una fuerza creadora ni el esfuerzo inconsciente del organismo. Por sí mismas ellas no tienen meta o dirección, pero a menudo tienen valores adaptativos positivos o negativos si se juzga su supervivencia y su reproducción. De esta manera, la selección natural explicaría cómo evolucionan las especies. Volviendo a la jirafa de Lamarck, una jirafa con una cuello ligeramente más largo

H C E P C 197



puede tener una ventaja para alimentarse y de este modo sería posible que dejara más progenie que una jirafa con el cuello más corto. Si el cuello más largo es una característica heredada, parte de esta progenie también tendrá cuello largo. Si los animales de cuello largo de esta generación tienen una ventaja, la generación siguiente incluirá más individuos de cuello largo. Hasta el año 1856 Darwin se limitó a acumular datos que confirman su teoría. Entonces, animado por sus amigos, comenzó a escribir su obra definitiva: “El origen de las especies por medio de la selección natural” . En el año 1858 conoció el trabajo de Alfred Russel Wallace (1823 - 1929), un especialista en aves, insectos y mamíferos. Wallace redactó un artículo resumiendo sus ideas y lo envió a Darwin, quien se sorprendió al ver que las ideas de Wallace reflejaban de un modo muy semejante al suyo, las ideas sobre evolución. Wallace había llegado a las mismas ideas sobre selección natural, inspirado también por el ensayo de Malthus. Así, aunque el artículo de Darwin fue presentado primero, ambos trabajos fueron leídos ante la comunidad científica de la época.

Sabías que...

A pesar de las controversias respecto a la autoría definitiva de la teoría de la evolución, se acepta que Darwin y Wallace son responsables de su elaboración.

La teoría de la evolución de Darwin y Wallace nos dice que los individuos de una población no son genéticamente idénticos, sino que existen pequeñas variaciones que permiten que frente a drásticos cambios ambientales, algunos individuos sean más “aptos” que otros para enfrentar la lucha por la existencia. Por consiguiente, estos individuos, que presentan rasgos favorables, serán capaces de generar descendencia portando las características que los hacen más aptos para la supervivencia. La repetición de este proceso de variabilidad y selección, a lo largo del tiempo, explicaría cómo surgen las especies. Sin embargo, algunos detractores consideraban que la selección natural reduce la variabilidad, pero no puede explicar cómo surgen las diferencias entre los individuos de una población. Por lo tanto, la teoría de la evolución explica cómo evoluciona una especie, pero no cómo surgen los cambios que permiten esta evolución La teoría de la evolución por selección natural podría resumirse en los siguientes puntos:

H C E P C 198

•

Todos los seres vivos evolucionaron a partir de unos pocos organismos simples y cada especie se originó a partir de otra.

•

En la mayoría de las especies, el número de individuos que sobrevive y se reproduce en cada generación es pequeño en comparación con el número total producido inicialmente.

•

En cualquier población dada ocurren variaciones aleatorias entre los organismos, algunas de las cuales son hereditarias.

•

La interacción entre estas variaciones hereditarias, surgidas al azar, y las características del ambiente determinarán cuáles son los individuos que sobrevivirán y se reproducirán y cuáles no, proceso conocido como selección natural.

•

Dado un tiempo suficiente, la selección natural lleva a la acumulación de cambios que provocan diferencias entre grupos de organismos.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Desde la época de Darwin, se ha acumulado una gran cantidad de nuevas evidencias en todas estas categorías, particularmente en los niveles celulares, subcelular y molecular, que destacan la unidad histórica de todos los organismos vivos. Una debilidad central de la teoría de Darwin - Wallace, que permaneció sin resolver durante años, fue la ausencia de un mecanismo válido para explicar la herencia.

Sabías que...

La teoría evolucionista que sucede a la darwiniana es la teoría de De Vries quien asigna a las mutaciones a nivel del material hereditario, la principal fuerza evolutiva.

1.3 Teoría sintética de la evolución

Si bien es cierto que se considera a Darwin como “el padre de la evolución” al dar las primeras directrices en esta disciplina, el avance de la genética ha modificado y completado su teoría. Es así como entre 1936 y 1947 surge la llamada teoría sintética de la evolución o neodarwinista, en la que destacan por sus aportes Theodosius Dobzhansky, George Gaylord Simpson y Ernest Mayr. Su nombre se debe a que recoge los aportes de la genética mendeliana (conocida desde 1865), de la genética de poblaciones y de la biología molecular, aplicándolos en una teoría evolutiva basada en los planteamientos de Darwin. Esta renovada teoría procura solucionar las dudas de la teoría anterior, introduciendo la idea de que para entender el proceso evolutivo de las especies, es necesario conocer cómo las características de los progenitores son traspasadas a la siguiente generación. Gracias a la genética sabemos que hay dos fenómenos que originan variaciones entre los descendientes de una población: las mutaciones y la recombinación genética. Las mutaciones son las responsables de que aparezcan características nuevas en las especies y la recombinación genética es la que permite que estas características se combinen en diferentes formas. Los postulados de la teoría sintética son: •

Evolución es el cambio en frecuencias génicas del fondo o acervo genético de una población específica (microevolución).

•

Cada especie es un acervo aislado de genes, que posee complejos génicos particulares conectados por flujo génico.

•

Un individuo contiene solo una porción de los genes del acervo génico de la especie a la que pertenece.

•

Un individuo de fenotipo más favorable contribuye con una proporción mayor de genes al acervo genético de la siguiente generación.

•

La mutación es la fuente última de nuevos genes en un acervo genético. H C E P C 199



1.4 Nuevas teorías evolutivas En el marco de la síntesis evolutiva, toda característica de un organismo era interpretada como una adaptación y por lo tanto, como el resultado del proceso de selección natural. Dos décadas más tarde, comenzaron a exponerse las primeras críticas a esta ortodoxia. La primera de ellas fue la planteada por la teoría neutralista propuesta por el genetista japonés Motoo Kimura, quien interpretó que una enorme cantidad de mutaciones son capaces de fijarse o perderse azarosamente en las poblaciones, sin ser advertidas por la selección natural, mediante el proceso de deriva genética. De este modo, siempre que la mutación no aporte un valor selectivo positivo o negativo, su futuro estará indeterminado. Así, en una población, su composición genética podrá variar significativamente en un gran número de generaciones sin que intervenga la selección natural. Hay que hacer notar que las teorías evolutivas siguen bajo obser vación en nuestros días y que lo antes planteado está sujeto a modificaciones.

Actividades

1.

Realiza un cuadro comparativo entre las teorías evolutivas.

2. Evidencias evolutivas La evidencia directa de la historia evolutiva de la Tierra se apoya en varias disciplinas científicas como la Paleontología y la Anatomía Comparada. Cada una contribuye a la comprensión y representación del proceso que ha permitido que las formas vivientes cambien, generación tras generación, hasta permitir la colonización de todas las regiones del planeta.

2.1 Evidencias directas: microevolución

Bacterias resistentes a antibióticos

a) Bacterias cultivadas en un caldo nutritivo

Visualización de colonias

b) Placa de Petri con caldo nutritivo solidificado en agar c)

La observación directa permite apreciar, en algunos casos, la acción de la selección sobre otros organismos. Estos casos representan un cambio en pequeña escala que ocurre dentro de las poblaciones en poco tiempo llamado microevolución. Este proceso ha sido más observable en los últimos siglos debido a que el ser humano ha ejercido fuertes presiones selectivas sobre organismos como los insectos, las bacterias, etc., lo que ha hecho posible observar los resultados y la acción directa de la selección natural. H C E P C

Cultivo en placa de Petri

Transferencia de una muestra de colonias bacterianas

d)

Placa con penicilina

e) Solo las bacterias resistentes a la penicilina crecen en la placa de Petri que contiene el antibiótico.

Placa con penicilina

200

Figura 3. Resistencia a antibióticos en bacterias.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Entre los ejemplos modernos de selección natural, que actúan sobre variaciones aleatorias, se encuentran el aumento en la frecuencia de una variante negra de mariposa conocida como Biston betularia, en áreas industriales; el incremento de las bacterias resistentes a antibióticos (Fig. 3), los múltiples logros de la selección artificial y la constatación de las variaciones existentes entre las poblaciones naturales pertenecientes a la misma especie.

2.2 Evidencias indirectas: macroevolución

Este proceso se debe a cambios por encima del nivel de especie, que produce la diversificación de los organismos adaptados a diversos ambientes. A diferencia de lo anterior, solo nos es posible observar los resultados de la selección natural. Las principales evidencias que permiten poner a prueba la existencia de la evolución por encima del nivel de especie son: a. Registro fósil

La mayor parte de los seres vivos que ha habitado el planeta y ha desaparecido en el tiempo no ha dejado huella en el paso por la Tierra en los diferentes períodos evolutivos; sin embargo, unos pocos se han conservado en las rocas sedimentarias, a través de un proceso conocido como fosilización. El registro fósil revela una progresión desde los organismos más antiguos y sencillos, hasta muchos de los organismos actuales, unicelulares y pluricelulares. Se han descrito y nombrado alrededor de 300.000 especies fósiles y se continúan descubriendo más de ellas. El método más utilizado en la actualidad para determinar la edad del registro fósil es el de carbono- 14. Si cualquiera de estas pruebas fallara, la teoría tendría que modificarse para ajustarse a la información recién obtenida. Cada fósil es una prueba individual de la teoría de la evolución. Tal vez el mejor ejemplo conocido de una serie progresiva de fósiles que se inicia en un organismo primitivo antiguo, pasa por varias etapas intermedias y termina en las formas modernas, corresponde al registro fósil de los caballos, el cual ha permitido reconstruir un árbol filogenético con las especies ancestrales como el que se muestra en la Fig. 4.

H C E P C 201



Evolución del caballo 0

1

Los dientes se hicieron más grandes y duros como reflejo de un cambio de dieta; de hojas y brotes blandos a pastos más abrasivos

Equus

El tamaño corporal aumentó, quizá en respuesta a una selección por parte de los depredadores

Pliohippus

s á r 5 t a s o ñ a e d s e n o l l i M

La selección de los corredores rápidos en las planicies abiertas favoreció la evolución de patas robustas y fuertes y pezuñas grandes y duras

Hipparion

Archaeohippus

Anchitherium

Merychippus

Pata delantera

25

Mesohippus

Diente

35

Si un caballo moderno tuviese dientes pequeños como estos, los dientes se desgastarían a una edad muy temprana

Hyracotherium Paleotheres

50

Figura 4. Evolución del caballo.

H C E P C 202


Sabías que...

Fósil: significa “encontrado bajo la tierra” y se refiere a partes de una planta o animales o a cualquier impresión, trazo o vestigio morfológico dejado por organismos extinguidos. La edad de un fósil se puede estimar conociendo la vida media de un elemento radiactivo, que corresponde al tiempo necesario para que la mitad del isótopo inicial se transforme en otro elemento secundario. Así, conociendo la proporción de ambos elementos en la muestra estudiada, es posible estimar el tiempo transcurrido en la transformación y, en consecuencia, la edad del fósil.

Tipos de fosilización • Compresión e impresión: la primera se presenta cuando un organismo o parte de él, queda atrapado por sedimentos sin descomponerse por completo, por lo cual es posible rescatar restos genéticos. La segunda se obtiene cuando por presión o elevado calor ambiental, los restos orgánicos desaparecen completamente, dejando una huella del organismo original.

• Petrificación: se obtiene cuando las partes sólidas, como huesos o caparazones e incluso tejidos blandos, se reemplazan por minerales como carbonato de calcio o síli ce.

• Moldes: se obtienen cuando el material que rodea a un organismo muerto se solidifica; los tejidos luego se desecan y el molde se rellena con minerales que se endurecen, formando una copia exacta de las estructuras externas del organismo original. Por ejemplo: huellas de pisadas (los lugares más apropiados para la fosilización son los océanos y los lagos).

b. Anatomía comparada Las evidencias evolutivas aportadas por la anatomía comparada, surgen de haber constatado que las semejanzas básicas entre grupos de organismos son completamente independientes de la forma de vida que llevan. Corresponde a la comparación de detalles estructurales, de características presentes en organismos diferentes.

• Órganos homólogos: Se refiere a aquellas estructuras que tienen un origen evolutivo común, pero que desempeñan funciones diferentes. Ejemplos: la aleta anterior de una ballena, el ala de un murciélago, la pata anterior de un perro, la pata de una oveja, aunque cumplen funciones diferentes, están constituidos por casi el mismo tipo de estructuras.

H C E P C 203

Murciélago

Foca

Figura 5. Estructuras homólogas.

Oveja

Musaraña



• Órganos análogos: Son aquellos órganos que cumplen funciones similares, pero las estructuras que los conforman no están relacionadas evolutivamente entre sí. Por ejemplo: aunque las alas de una mariposa cumplen con la función de vuelo, lo mismo que las alas de una paloma o de un murciélago, estas estructuras no tienen el mismo origen evolutivo. La evidencia de estos órganos homólogos y análogos en los seres vivos fue un importante avance en el perfeccionamiento de los estudios evolutivos, ya que permitieron construir filogenias basadas en el parentesco evolutivo de las especies y desechar l as filogenias basadas en criterios funcionales.

c. Embriología Estudia el crecimiento, formación y morfogénesis de los organismos desde que el ovocito es fecundado. Las pruebas embriológicas se basan en el estudio comparado de la ontogenia o desarrollo embrionario de los animales. Todos los animales, cuyos estados embrionarios son similares, estarían emparentados. Por ejemplo, los embriones de pez, anfibio, reptil, ave y mamíferos presentan características tan semejantes que resulta difícil distinguir uno de otro y reconocer entre embriones el tipo de animal al cual corresponde. Sin embargo, en el estado adulto, estas semejanzas no son tan evidentes o sencillamente no persisten (Fig. 6).

Lemur

Cerdo

Ser humano

Figura 6. Etapas embrionarias tempranas.

Es probable que en todas las especies de un phylum, los primeros estadios del desarrollo embrionario sean controlados por un mismo grupo de genes. Puesto que a medida que avanza el proceso evolutivo se van agregando nuevos genes, producto de mutaciones, pero se conservan aquellos que determinan los aspectos de las primeras fases embrionarias, podría aceptarse que mientras mayor sea el parentesco entre dos especies, mayor es el número de genes comunes entre ellas.

Sabías que...

En la actualidad, subsisten algunas especies de plantas y animales que han conservado su anatomía y formas de vida muy primitivas. Por ejemplo, celacanto (pez del período Devónico) y Ginkgo biloba (árbol sin parientes vivos). H C E P C 204

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� d. Taxonomía y sistemática •

Taxonomía: es una disciplina científica que se preocupa de la clasificación de los organismos, basándose en un sistema jerárquico de grupos, ordenados según sus semejanzas. Actualmente el si stema científico de clasificación se basa en lo propuesto por Carlos Linneo: los seres vivos se agrupan en categorías taxonómicas, en donde las especies se incluyen en géneros; varios géneros conforman una familia; las familias se agrupan en órdenes y los órdenes en clases; la siguiente categoría para animales y protozoos es el phyllum y para hongos y plantas es la división, y el último nivel taxonómico es el reino. La taxonomía ha contribuido a establecer relaciones de parentesco en los diferentes grupos, de acuerdo con las características morfológicas, fisiológicas y genéticas que comparten.

• Sistemática: su aporte ha permitido construir árboles filogenéticos, en los que se observa la historia evolutiva de los seres vivos desde los reinos y sus principales divisiones, hasta las especies que conocemos en la actualidad. El estudio de las relaciones evolutivas entre los organismos o filogenia está a cargo de la sistemática.

Especie C

H I Género F Familia

Orden G Clase E

D Filo o División

B

Reino

A

Ancestro común Referencias: : Categorias taxonómicas obligatorias según los Códigos : Porción del árbol filogenético A

B

C ... : Algunos nodos del árbol

Figura 7. Árbol filogenético. H C E P C 205



e. Biogeografía

El estudio de la distribución geográfica de las especies, indica que ellas se originaron en una determinada área y, a medida que se expandieron hacia otras regiones del planeta, se fueron adaptando al medio al que llegaban. Barreras geográficas limitan la distribución de las especies, y la competencia entre estas conduce al establecimiento de una flora y fauna características de cada región. El aislamiento determinado por algún tipo de barrera, al impedir el cruzamiento de los individuos, permite la evolución independiente de las nuevas especies. Darwin, al observar en las islas Galápagos las semejanzas entre varias especies de pinzones, pero con importantes diferencias en sus picos, por adaptaciones a diferentes tipos de alimentos, concluyó que todas estas aves provenían de una sola especie ancestral que emigró de Sudamérica hacia las islas Galápagos. Al quedar aisladas en diferentes islas, distantes unas de otras, las poblaciones de pinzones fueron diferenciándose gradualmente y originando nuevas especies. Algo similar ocurre con la presencia de marsupiales y monotremas en Australia. Se cree que Australia estuvo conectada con el continente Asiático hace mucho tiempo, de modo que los animales no tuvieron mayores problemas en desplazarse. Antes que surgieran los mamíferos placentarios (más desarrollados), Australia quedó aislada del resto del mundo por el océano, imposibilitando que los placentados invadieran su territorio. Esto permitió que los marsupiales y monotremas sobrevivieran y evolucionaran hacia formas actuales (canguros, koalas, equidnas y ornitorrincos) que solo existen en Australia. Estos y otros ejemplos suministran una fuerte evidencia de que los seres vivos son lo que son y están donde están a causa de los acontecimientos ocurridos en el curso de su historia previa. Marsupiales

Monotremas

Koala

Equidna

H C E P C 206

Canguro

Ornitorrinco Figura 8. Animales australianos.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� f. Bioquímica comparada La presencia de biomoléculas y macromoléculas con estructuras y funciones semejantes, hizo pensar a los científicos que los organismos los han heredado de sus antepasados comunes, en el transcurso de la evolución. Por ejemplo, el ATP y los sistemas metabólicos que permiten regenerarlo, se encuentran en todos los seres vivos estudiados y son similares a lo largo de las líneas evolutivas. También las hormonas tienen idéntica composición química en los diversos mamíferos. Otra evidencia aportada por la bioquímica tiene relación con numerosas proteínas y enzimas que cambian levemente en su composición aminoacídica. Cuanto más emparentadas son las especies cuyas enzimas se compara, menor es la diferencia de su composición aminoacídica.

g. Biología molecular Se apoya en un hecho simple: el material genético de las especies determina en gran medida las características fenotípicas y se hereda de generación en generación. Se pueden establecer relaciones de origen evolutivo estudiando y analizando las semejanzas y diferencias del material genético de las d iferentes especies. Las técnicas de bandeado molecular permiten utilizar pequeñas cantidades de ADN. Los fragmentos se digieren por enzimas de restricción y luego se determina base a base la secuencia de nucleótidos. Con la ayuda de programas computacionales, se comparan las secuencias y se identifican las regiones con un mayor grado de homología, lo que permite postular posibles relaciones filogéneticas. Usando estas técnicas se ha estudiado el origen evolutivo de diferentes organismos, como bacterias, protistas, hongos, vegetales y animales. Gracias a esto se ha podido postular que el hombre está evolutivamente más emparentado con el gorila que con el orangután, y que ambos habrían derivado de un ancestro común. Los estudios realizados por la biología molecular, han establecido que ciertos componentes proteicos están presentes en organismos remotamente relacionados como el hombre y una bacteria.

2.3 Bases genéticas de la evolución El concepto de gen, desconocido por Darwin, permitió comprender la manera en que las variaciones podían originarse, preservarse y transmitirse de una generación a la siguiente. Sin embargo, hoy en día se conocen las similitudes y diferencias en las características bioquímicas y a nivel de biología molecular de diferentes organismos, datos que aportan indicios sobre las relaciones evolutivas de diferentes organismos. Por ejemplo, la universalidad del código genético es una prueba fehaciente de que todos los organismos surgieron de un ancestro común, puesto que no se ha encontrado otro código en ning ún ser vivo. Además la evolución se ha unido a la genética para estudiar no solo los genes aislados y las posibles relaciones entre los diferentes organismos, sino que también para estudiar a las poblaciones completas. La rama de la biología que surgió de la síntesis entre la evolución darwiniana y los principios mendelianos se conoce como genética de poblaciones.

H C E P C 207



3. Selección natural

La evolución se produce a través de la selección natural. Gracias a este mecanismo, se seleccionan los organismos cuyos rasgos responden mejor al medio ambiente y se reproducen en mayor número y en menor tiempo. La gran variabilidad genética que existe al interior de las poblaciones naturales corresponde al sustrato sobre el que actúa el proceso evolutivo. La selección natural favorece a los organismos más aptos. Estos son los que se reproducen y generan descendencia. Cuando un organismo no se reproduce y muere, se lleva consigo también su patrimonio genético. Entonces, existe una reproducción diferencial entre los miembros de las poblaciones naturales, que permite la proliferación de las combinaciones genéticas más exitosas. La selección natural puede actuar solamente sobre las características expresadas en el fenotipo. La unidad de selección es el fenotipo completo. En casos extremos, un solo alelo puede s er decisivo en la selección.

3.1 Clasificación de la selección natural 3.1.1 Efecto sobre la distribución de las características en una población a. Selección direccional

La selección direccional da como resultado un aumento en la proporción de individuos con una característica fenotípica extrema. Como consecuencia, la frecuencia de la población se desplaza en dirección de esa característica a lo largo de las generaciones y del tiempo. Algunos ejemplos son el melanismo industrial de las polillas y mariposas, la resistencia a i nsecticidas y la resistencia a drogas en bacterias (Fig. 9a). b. Selección estabilizadora o normalizadora

Es un proceso que está operando siempre en todas las poblaciones. Corresponde a la eliminación de los individuos extremos (Fig. 9b). Por ejemplo: el tamaño de la nidada de aves (número de huevos que pone el ave) está determinado genéticamente, aunque también parece verse influenciado por factores ecológicos. En un estudio hecho en un cierto tipo de ave, se encontró que su porcentaje se incrementaba hasta que el tamaño de cada nidada llegaba a 5. Cuando la nidada era superior a 5, el porcentaje de sobrevivientes era menor, aparentemente a raíz de una nutrición inadecuada

c. Selección disruptiva o desorganizadora

H C E P C 208

En la selección disruptiva se favorece a aquellos organismos que expresan los rasgos más extremos en la población, reduciéndose la representación de rasgos promedios y provocando que la población se divida en dos (Fig. 9c). Si las condiciones lo permiten, evolucionarán hacia dos especies nuevas. Por ejemplo, en estudios hechos en plantas que crecen en suelos contaminados con sales de metales pesados, tales como plomo y zinc, las plantas que crecen en suelo no contaminado son incapaces de sobrevivir en suelo contaminado. Las plantas de la misma especie que crecen en suelo contaminado son capaces d e sobrevivir en suelo no contaminado, pero no pueden competir con las que ya estaban creciendo allí. Así los dos fenotipos extremos han sido favorecidos a expensas de las formas intermedias, dando como resultado el desarrollo de diferencias muy marcadas entre los dos grupos durante los cincuenta años transcurridos desde que se interrumpieran las actividades mineras y las plantas comenzaran a colonizar el área.


(a) Selección direccional

Antes de la selección

(b) Selección estabilizadora

Se favorece el tamaño mayor que el promedio

o p m e i T

Se favorece el tamaño promedio

n ó i c a l b o p a l e d s o u d i v i d n I e d º N

Después de la selección

(c) Selección disruptiva

Se favorece el tamaño tanto inferior al promedio como superior al promedio

El fenotipo promedio no cambia; la variabilidad fenotípica disminuye

El fenotipo promedio se desplaza hacia un tamaño más grande al paso del tiempo.

Intervalo de una característica específica (tamaño,color,etc.).

La población se divide en dos grupos fenotípicos al paso del tiempo.

Figura 9. Tipos de selección.

3.1.2 Otros factores de selección a. Selección dependiente de la frecuencia

La selección dependiente de la frecuencia actúa para disminuir la frecuencia de los fenotipos más comunes y para aumentar la frecuencia de los menos comunes. Las interacciones depredador-presa pueden llevar a una selección dependiente de la frecuencia. Por ejemplo, estudios basados en el comportamiento animal indican que muchos depredadores parecen formarse una imagen de búsqueda, que les permite cazar un tipo particular de presa más eficientemente. Si las víctimas difieren, por ejemplo en el color, las de color más común serán muy atacadas. Si como resultado de ello, los individuos con ese color se vuelven menos comunes, la presión selectiva ejercida por ellos se relajará pues los depredadores dirigirán su atención a individuos de otros colores, que ahora serán los más comunes. Así la selección dependiente de la frecuencia puede ser un factor que mantenga los polimorfismos en las poblaciones que son depredadas.

b. Selección sexual

Es el resultado de la competencia en la búsqueda de la pareja. Puede incrementar en gran medida la reproducción diferencial, sin mejorar la adaptación a otros factores ambientales. Formas de selección sexual: -

Selección intrasexual: es la competencia entre los miembros de un sexo para aparearse con el sexo opuesto. Ejemplo: competencia entre machos de elefantes marinos.

-

Selección intersexual: corresponde a las fuertes presiones que ejercen los miembros de un sexo sobre las características del sexo opuesto, mediante la elección de sus parejas (entra en juego en situaciones en las cuales un sexo, a menudo la hembra, hace una selección activa de su pareja). Ejemplo: ornamentaciones del macho como la cola del pavo real.

H C E P C 209



Se piensa que la selección sexual es la causa principal del dimorfismo sexual y que aquellas diferencias entre las hembras y los machos, no tiene relación con el acto de la reproducción en sí, sino con la obtención de una pareja, lo cual es muy marcado entre las especies poligínicas y poliándricas. Por ello, en las especies monógamas, los machos y hembras tienden a parecerse mucho. Ejemplos de características seleccionadas sexualmente son el plumaje extravagante de los machos de muchas aves, las cornamentas de gran tamaño del ciervo, entre otras. Darwin, al reconocer que tales machos no eran “más aptos para sobrevivir” en la lucha por la existencia, dio a la selección sexual la categoría de una fuerza separada de la fuerza de la selección natural. Sin embargo, muchos investigadores creen actualmente, que esta distinción no es válida y que la selección sexual debería ser considerada como una de las formas que puede adoptar la selección natural. Esto debido a que la aptitud se redefine en términos de progenie sobreviviente.

4. Origen de las especies Se define como especie a un grupo de poblaciones naturales cuyos miembros pueden cruzarse entre sí y generar descendencia fértil, pero no pueden cruzarse con los miembros de otras poblaciones (o al menos no lo hacen habitualmente). La característica esencial de esta definición es el aislamiento reproductivo. Se reconoce que existen dos especies diferentes cuando dos poblaciones pueden ocupar la misma área sin cruzarse. Según la genética de poblaciones, los miembros de una especie comparten un reservorio génico en común que está separado del reservorio génico de otras especies. Si dos poblaciones de la misma especie dejan de aparearse darán lugar a variedades de razas, subespecies y, por último, a especies diferentes. Esto ocurre en un largo proceso evolutivo de millones de años, lo que constituye la base de la especiación.

Sabías que...

Las especies poligínicas (sistema de harén): unos pocos machos engendran la mayoría de la progenie. Las hembras invierten más en el cuidado de las crías y los machos en la competencia y el apareamiento. Por esto, los machos intentan obtener un mayor número de apareamientos, mientras que las hembras tienden a ser más discriminatorias en sus hábitos de apareamiento. Las especies monógamas: ambos sexos contribuyen sustancialmente al apareamiento y al cuidado parental, los rituales de cortejo son más complejos y tanto machos como h embras muestran selectividad. Las especies poliándricas: una hembra presenta varias parejas, pero el macho una. Por lo que son estos los que invierten en el cuidado parental y las hembras en el apareamiento. En estas especies, las hembras intentan obtener un máximo de parejas, mientras que los machos tienden a ser más tímidos en sus comportamientos de apareamiento.

H C E P C 210

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 4.1 Mecanismos de aislamiento reproductivo Son aquellos que impiden el apareamiento entre miembros de distintas poblaciones y evitan la formación de una descendencia híbrida. Para que aparezca una nueva especie en la naturaleza, deben existir ciertos mecanismos de aislamiento de un grupo de individuos, de modo que se produzcan diferencias apreciables entre ellos hasta que la reproducción resulte imposible. Gracias a esto se origina una nueva especie. Una vez que la especiación ha ocurrido, las especies ahora separadas pueden vivir juntas sin cruzarse, a pesar que algunas presentan fenotipos semejantes.

a. Mecanismos de aislamiento precigótico Son aquellos que impiden la formación de un cigoto híbrido. Dentro de esta categoría pueden reconocerse varios tipos que se describen a continuación: •

Aislamiento ecológico: ocurre entre especies cercanamente emparentadas que ocupan un mismo territorio. Los apareamientos no se producen porque los individuos reproductores de cada una de las especies ocupan distintos subambientes.

•

Aislamiento etológico: se produce cuando las poblaciones, a pesar de ocupar el mismo hábitat, presentan comportamientos de cortejo diferentes. Este tipo de mecanismo incluye patrones de cortejo y señales químicas específicas que permiten el reconocimiento entre individuos de l a misma especie.

•

Aislamiento temporal o estacional: se produce cuando el apareamiento de los animales o la floración de las plantas ocurre en estaciones o momentos distintos del día.

•

Aislamiento mecánico: ocurre cuando las especies presentan diferencias en la forma y en el tamaño de los órganos copuladores o de las estructuras florales.

•

Incompatibilidad gamética: ocurre cuando los espermatozoides de una especie son incapaces de fertilizar los ovocitos de otra especie.

b. Mecanismos de aislamiento postcigóticos A veces se produce el apareamiento entre miembros de especies diferentes y la formación de un cigoto híbrido. Sin embargo, no hay producción de descendencia. Esto se produce por:

•

Inviabilidad de los híbridos: en caso de que ocurra la fecundación, el híbrido resultante puede ser débil e incluso incapaz de sobrevivir.

•

Infertilidad de los híbridos: ocurre si los híbridos son incapaces de producir gametos normales. Un ejemplo de híbrido infértil es la mula.

La especiación se inicia con un proceso de aislamiento reproductivo. Luego, en una segunda etapa, ocurre la divergencia genética y la incompatibilidad reproductiva favorecida por la selección natural.

H C E P C 211



4.2 Modelos de especiación

a. Especiación geográfica o alopátrica

El mecanismo de especiación alopátrida ocurre cuando una población de similar constitución genética que habita en un área extensa se separa por accidentes geográficos (ríos, mares, montañas o desiertos). Esta separación podría conducir a la formación de razas geográficas de las cuales podrían surgir nuevas especies. La especiación alopátrida se produce en dos etapas. En la primera las dos poblaciones se aíslan geográficamente y entre ellas no hay intercambio genético. En estos g rupos surge una divergencia genética que será fundamental para la especiación. La segunda etapa se produce cuando se originan cruzamientos entre los miembros de ambas poblaciones, tras haber reanudado el contacto, dando como resultado individuos estériles o inviables. En estas condiciones, ya se han producido mecanismos de aislamiento reproductivo entre ambas poblaciones, de manera que ahora los dos grupos pueden coexistir en el mismo territorio sin intercambiar genes, evolucionando independientemente. Un ejemplo de este mecanismo de especiación, común en la historia de la Tierra, lo constituye el Istmo de Panamá, el cual se ha sumergido y vuelto a emerger repetidamente en el curso del tiempo geológico. Con cada nueva emergencia, los océanos Atlántico y Pacífico se transformaron en “islas”, quedando aisladas poblaciones de organismos marinos, que formaron especies nuevas.

b. Especiación simpátrica

Este tipo de especiación no requiere una distancia geográfica a gran escala. Se produce, por ejemplo, por cambios genéticos en poblaciones que habitan la misma región geográfica, que pese a vivir juntas, divergen hacia especies nuevas. Esto se debe a que s urgen mecanismos de aislamiento reproductivo dentro de la población que hacen posible la especiación. También puede originarse porque un grupo de individuos de la población comienza a ocupar un nuevo nicho dentro del mismo hábitat. Esto puede bastar para reducir el flujo génico con los individuos que ocupan el otro nicho.

c. Especiación parapátrica

También se asocia a procesos evolutivos divergentes que ocurren entre poblaciones que se encuentran ocupando territorios contiguos. En este caso no hay ninguna barrera extrínseca al flujo génico, pero a pesar de tratarse de una población continua, el apareamiento no es aleatorio. Esto se debe a que la probabilidad de apareamiento es mayor entre individuos vecinos que entre individuos de zonas más apartadas dentro del área de distribución de la especie. La disminución del flujo génico o l a existencia de diferentes presiones selectivas a lo largo del área de distribución, pueden llevar a una divergencia entre grupos adyacentes de organismos.

H C E P C 212

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5. Patrones de evolución La selección natural es un proceso complejo que opera continuamente entre las poblaciones. Los resultados obtenidos entre las poblaciones son producto de numerosos factores que producen diversos patrones evolutivos entre los cuales están: • Coevolución: corresponde al establecimiento de interacciones estrechas entre poblaciones de dos o más especies diferentes donde cada una ejerce una notable fuerza selectiva sobre la otra provocando ajustes simultáneos. Ejemplo: la relación entre las flores y sus polinizadores. •

Evolución convergente: ocurre entre organismos que ocupan ambientes similares que, al estar sujetos a presiones selectivas similares, suelen desarrollar adaptaciones comunes (tienden a parecerse), aunque tengan una relación filogenética muy lejana (Fig. 10).

a. Tilacino

b. Chacal

Figura 10. Evolución convergente. El tilacino es un lobo marsupial y el chacal dorado, es un canino.

•

Evolución divergente: se presenta cuando una población se aísla del resto de la especie y, debido a presiones selectivas particulares, comienza a seguir un curso evolutivo diferente. Por ejemplo, la evolución de los diferentes grupos de cordados: peces - anfibios – reptiles – aves – mamíferos, como también el comparar el oso polar (Fig. 11a) con el oso pardo (Fig. 11b).

a. Oso polar

a. Oso pardo

Figura 11. Evolución divergente.

•

Radiación adaptativa: es la formación rápida de muchas especies nuevas a partir de un único ancestro, las cuales son capaces de ocupar nuevos nichos por poseer una nueva característica clave. H C E P C 213



•

Extinción: aunque la extinción tiene un efecto negativo a corto plazo sobre la diversidad biológica, es posible que facilite la evolución en un período de miles de años, ya que deja zonas adaptativas completamente vacías, dando a otros organismos nuevas oportunidades de experimentar especiación y divergir para ocupar dichas zonas.

Se reconocen dos grandes ritmos de extinción: -

Extinción de fondo: corresponde a una extinción continua que ocurre a bajo nivel.

-

Extinción masiva: han ocurrido cinco a seis eventos a lo largo de la historia del planeta. La última fue hace 65 millones de años y acabó con los dinosaurios.

Cada uno de estos períodos de extinción en masa ha sido seguido de períodos de radiación adaptativa de algunos grupos sobrevivientes, como es el caso de los mamíferos.

6. Diversidad de organismos y ambiente Los ambientes en que se desarrolla la vida, en la actualidad y en el pasado, son muy variados. A pesar de ello es posible encontrar organismos vivos prácticamente en todos los ambientes. En muchos casos, los propios organismos son los que moldean o caracterizan el paisaje. Por otro lado, las características de cada forma de vida están estrechamente ligadas o relacionadas con el ambiente en particular en que se desarrollan. Como hemos observado, existen especies cuyas características les permiten vivir en una amplia variedad de lugares, como ocurre con muchas plantas de nuestro jardín. Sin embargo, estas no podrían vivir en todas las condiciones posibles. Cada especie está adaptada para vivir en un ambiente con un rango de condiciones particulares.

6.1 Variabilidad ambiental

Son muy pocos los lugares en nuestro planeta donde no existe vida. Por lo tanto, la vida ha sido capaz de ocupar la mayoría de los ambientes. Es posible hallar diferentes formas de seres vivos aun en lugares muy inhóspitos o inaccesibles, como las aguas de un géiser. Por lo tanto, habría que pensar que solo es necesario que existan algunas condiciones básicas en un ambiente particular, para que se manifieste vida. Existe una estrecha relación entre las características propias de los organismos y el ambiente en que viven. Esta relación incluye aspectos relacionados con la forma de alimentación, mecanismos de locomoción y aquellos que permiten a los organismos aprovechar y/o tolerar las diversas condiciones ambientales, en su respectivo hábitat. Así especies que habitan normalmente en ambientes desérticos presentan ciertas características que les permiten sobrevivir en esos lugares y no en otros, como por ejemplo, mecanismos para retener agua, para evitar o tolerar la alta radiación solar, etc.

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Esta estrecha relación que muchos seres vivos muestran con el ambiente se conoce como adaptación, característica que ha maravillado desde la antigüedad a muchos pensadores. Desde entonces, y ligado a los intentos por entender el origen de la diversidad, se han planteado diversas hipótesis para explicar cómo los organismos logran adaptarse a las más diversas condiciones ecológicas. Entre ellas está la del abuelo de Darwin, Erasmus Darwin, quien, junto con pensadores de su época, pensaban, que los organismos buscaban desarrollar adaptaciones a través de su propia voluntad. En cambio, Charles Darwin hizo observaciones clave respecto a las adaptaciones de los seres vivos, postulando que el ajustado diseño de los organismos a las más diversas condiciones ambientales evidenciaba lo determinante que es el ambiente en el proceso de cambios de las especies.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Sin embargo, la adaptación no puede ser considerada únicamente como cualquier característica de un organismo que permite que esté mejor capacitado para sobrevivir a su ambiente, sino también como un proceso evolutivo por el cual los organismos llegan a estar más capacitados para enfrentar y sobrevivir a las condiciones de su propio hábitat. Esta idea fue planteada por Darwin y Wallace al plantear la selección natural, como el mecanismo por el cual ocurre el proceso de adaptación.

6.2 Adaptación Una adaptación es cualquier característica o grupo de características heredables, cuya presencia en un individuo incrementa la posibilidad de sobrevivencia y reproducción exitosa, bajo un determinado conjunto de condiciones ambientales. Respecto del efecto del ambiente o de la selección natural, algunos rasgos pueden ser adaptativos, o sea, relevantes para la sobrevivencia y reproducción de los organismos o ser neutros y, por lo tanto, no tener efecto alguno en ello. Entre esta diversidad de caracteres se ha podido conocer un tipo muy particular conocido como preadaptación. Este tipo de carácter corresponde a una estructura u órgano que durante el proceso evolutivo se desarrolló para cumplir una función adaptativa particular, la que más tarde se modificó, bajo la fuerza de la selección natural, para servir con otro propósito, o sea, otra función. Es decir, son órganos que han cambiado su función original por otra, pero aún conservan su estructura original. Un ejemplo de ellos son las plumas: en un principio habrían evolucionado para servir de aislante térmico, pero más tarde fueron esenciales en el vuelo de las primeras aves.

6.2.1 Tipos de adaptaciones En un individuo, podemos encontrar un conjunto de caracteres, estructuras y órganos, así como algunos rasgos neutros y, otros adaptativos en distinto grado. Entre ellos, podemos encontrar aquellos que son altamente adaptativos y por lo tanto, se mantienen en la especie de generación en generación. Incluso, en algunos casos, estas adaptaciones resultan tan exitosas que, en ambientes similares, especies no emparentadas pueden alcanzar soluciones semejantes (evolución convergente).

a. Adaptaciones fisiológicas, metabólicas y bioquímicas

Son adaptaciones que permiten mejorar el funcionamiento interno del organismo, especialmente en ambientes difíciles. Por ejemplo, plantas, como las cactáceas, abren sus estomas durante la noche para capturar o fijar el CO2 necesario para la fotosíntesis, pero los manteniene cerrados durante el día, con lo que hacen más eficiente el uso del agua. Muchas plantas cierran sus flores durante la noche para impedir el enfriamiento de sus estructuras reproductivas mientras otras solo abren sus estomas de noche cuando el estrés térmico es menor, para intercambiar gases con el ambiente y completar el proceso de fotosíntesis. También debemos considerar las respuestas adaptativas a cambios diarios que se pueden observar en animales y en vegetales. Por ejemplo, los picaflores chilenos mantienen una alta tasa metabólica y alta temperatura corporal durante el día, lo que requiere que se alimenten constantemente del néctar de las flores. Dado que no pueden alimentarse de noche, bajan su tasa metabólica y su temperatura y entran en un estado denominado “sopor”, para ahorrar energía. Al día siguiente, en cuanto sube la temperatura, salen inmediatamente a alimentarse subiendo su tasa metabólica y su temperatura.

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b. Adaptaciones de comportamiento

Este tipo de adaptaciones son más frecuentes entre los animales. Por ejemplo, algunos roedores buscan alimento en la noche o en el crepúsculo, cuando el riesgo de ser depredados es menor. En el reino animal, las adaptaciones de comportamiento son numerosas y se presentan desde los organismos más simples a los más complejos, relacionadas tanto con variables ambientales como con la alimentación, la reproducción o el cuidado de las crías.

c. Adaptaciones morfológicas

Estas pueden estar relacionadas con la eficiencia de los organismos en sus ambientes o con la supervivencia de los individuos que las poseen. Entre estas podemos mencionar: •

Adaptaciones funcionales: corresponde a estructuras u órganos que hacen a la especie más eficiente o especialista en el hábitat en que vive. Por ejemplo, en las focas, la gruesa capa de grasa subcutánea que poseen es una adaptación que las protege de las frías aguas polares. Los insectos, por su parte, presentan un aparato bucal cuyas piezas son esencialmente las mismas, pero han sido altamente modificadas para conformar una variedad de formas bucales relacionadas con el tipo de alimentación de los diferentes grupos de insectos. En algunos casos sirve para picar y succionar (mosquitos), o para morder (escarabajos). En el caso de las plantas, hay diferentes adaptaciones funcionales, las plantas que viven en ambientes desérticos tienen hojas de tamaño reducido, con estomas restringidos en número y disposición.

Otros ejemplos que podemos considerar en este tipo de adaptación son las respuestas a cambios estacionales, como se presenta en los siguientes casos: - La gran mayoría de los mamíferos deja caer pelo (“pelechan”) durante los veranos para soportar mejor el calor y producen, en cambio, una cubierta densa de pelo durante los inviernos para aislarse mejor del frío y mantener su calor corporal. - En Chile central, la mayoría de los arbustos de matorral dejan caer parte de su follaje (hojas) durante el verano, para así minimizar la pérdida de agua a través de los estomas. No dejan caer sus hojas durante el invierno, cuando hay mayor disponibilidad de agua y no hace calor. •

Parecidos ventajosos: corresponden a parecidos que proveen algún tipo de ventaja a los individuos.

- Camuflaje: corresponde a semejanzas o imitaciones de alguna característica del ambiente u objetos que rodean a los individuos. Puede incluir la forma, el color y los patrones del ambiente. Ejemplos: dragón de mar de Australia, insectos espina de Florida EE.UU., etc.

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Figura 12. Camuflaje. Dragón de mar (izquierda) e insectos de espina (derecha).

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� - Mimetismo: es el parecido de un organismo a otro que habita en la misma área. Este tipo de adaptación está asociado a coloraciones de advertencia que poseen algunas especies venenosas, de mal sabor u olor, para sus depredadores. Existen varios tipos de mimetismo, entre los que podemos destacar al mimetismo batesiano (mimetismo engañoso): el organismo imitador, que no es venenoso ni desagradable, posee los mismos patrones de coloración que una especie venenosa o de mal sabor, que vive en una misma comunidad. Por ejemplo, la mortífera serpiente coralillo presenta una brillante coloración de advertencia y la inofensiva serpiente rey de las montañas evita a sus d epredadores asemejándose a la serpiente coralillo.

Serpiente coralillo

Serpiente rey de las montañas Figura 13. Mimetismo batesiano.

En el caso del mimetismo mülleriano se da un parecido mutuo entre dos o más especies nocivas. La ventaja para estas especies está en que por el parecido disminuye el número de lecciones que debe aprender el depredador, ya que una de las principales características de ambas especies es su mal sabor.

Sabías que...

Ciertos animales se han adaptado de una manera muy especial a su medio ambiente, adoptando colores muy llamativos. Estos animales tienen, por lo general, un sabor desagradable y muchos de ellos son venenosos, como la rana flecha sudamericana, con sus manchas de color negro y cabeza roja contrastantes. Como envenenar al depredador no es mucho consuelo después de que ya ha comido, una sola experiencia le puede enseñar que animales como estos, que son tan llamativos, deben ser considerados como peligrosos y, por lo tanto, deben ser evitados. Esta forma de coloración que presentan tantos animales en el mundo y en nuestro país, se conoce con el nombre de coloración de advertencia.

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7


� l u t í p a C

Actividades

1.

Define los siguientes conceptos: •

Adaptación:

•

Camuflaje:

•

Mimetismo:

•

Mimetismo batesiano:

2.

¿Qué significa el término automimetismo? Indica un ejemplo chileno.

3.

Indica y describe algunas formas de adaptación (a lo menos 4) que permiten a animales y plantas evitar servir de alimento.

4.

Explica de qué manera los depredadores han desarrollado adaptaciones especiales para alimentarse de sus presas. Para esto debes basarte en el tema “parecidos ventajosos”.

6.3 Biodiversidad Es resultado del proceso evolutivo, que se expresa en la existencia de las diferentes formas que han ido cambiando y diversificándose, desde que se originó la vida hasta nuestros días. Esto ha ocasionado que exista una gran diversidad de plantas y animales. La mutación y selección natural determinan las características y la cantidad de diversidad que existen en un lugar y momento, afectando a nivel g enético, morfológico, fisiológico, etológico y demográfico. La diversidad biológica abarca toda la escala de organización de los seres vivos. El interés creciente por la biodiversidad se debe, en primer lugar, a la riqueza en plantas y animales, la cual tiene un valor incalculable: es el patrimonio natural, resultado de la evolución; un proceso histórico que ha ocurrido en el tiempo, e irrepetible. Producto de la competencia evolutiva se estima que compartimos este planeta con más de cinco millones de especies diferentes de organismos. Estos exhiben una gran variedad en la organización de sus cuerpos, en sus patrones de reproducción, crecimiento, desarrollo y comportamiento. A pesar de la abrumadora diversidad de organismos vivos, es posible abordar esta variedad de tres maneras:como variedad de ecosistemas, variedad de especies y variedad de genes.

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•

Variedad de ecosistemas: corresponde a la variedad de comunidades que habitan determinadas regiones, las poblaciones que las componen y las relaciones que establecen entre ellos y con los factores físicos.

•

Variedad de especies: corresponde al número de especies diferentes que hay en un área geográfica determinada.

•

Variedad de genes: corresponde a las diferentes versiones de los genes que están presentes en los individuos que forman una población. Estas versiones de genes son heredables y constituyen la materia prima a partir de la cual ha evolucionado la variada complejidad de los seres vivos a lo largo de millones de años.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Ahora debemos considerar que la biodiversidad no es cuestión de estos tiempos, es tan antigua como la vida. Aristóteles (384-322 A.C.) creía que todos los seres vivos podían ser organizados en jerarquía, organizando a los organismos desde los más simples a los más complejos. El hombre era quien ocupaba el peldaño más alto, en un sistema que él llamó Escala de la Naturaleza. Hasta fines del siglo, muchos biólogos creían en dicha jerarquía natural, pero además creían que la mayoría de los organismos, de acuerdo con las enseñanzas del Viejo Testamento, habían sido creados para el servicio o placer de la humanidad. Entre aquellos que creían en la creación divina estaba Carl von Linné (1707-1778), el gran naturalista sueco que ideó el sistema actual de nomenclatura para las especies o clases de organismos. Sin embargo, tras los trabajos de Darwin en un principio, y de investigadores más modernos, se logró establecer la existencia de una gran diversidad de organismos que habían poblado la Tierra a lo largo de su larga existencia. Esto fue observado en los registros fósiles, los que revelan que la diversidad de organismos que han poblado l a Tierra es el resultado de grandes patrones de especiación, acoplados a los efectos de la extinción: •

Cambio filético: cambio dentro de un solo linaje de organismos, bajo las presiones de la selección natural. Esta presión hace que una especie acumule gradualmente cambios, hasta que, finalmente, es tan diferente de sus predecesores que puede considerarse una nueva especie.

•

Cladogénesis: corresponde a la partición de linajes. Las especies formadas como ramas son descendientes contemporáneos de un antecesor común. La formación de especies nuevas es por escisión de poblaciones pequeñas del tronco parental (efecto fundador) que, presentando combinaciones genéticas favorables, pueden aumentar rápidamente en número y frecuencia sin ser diluidas por el flujo de genes. Así la evolución no es lenta y gradual, sino a impulsos que dan cuenta de incrementos súbitos de nuevas especies, hecho observado en muchos puntos del registro fósil.

•

Radiación adaptativa: corresponde a la diversificación repentina en el tiempo geológico de un grupo de organismos que comparten un antecesor común, que a menudo también acaba de aparecer. Su exito está asociado a una nueva característica denominada “característica clave”. Por ejemplo, hace unos 300 millones de años, los reptiles liberados de la existencia anfibia, por el invento del huevo amniota, se diversificaron rápidamente en los ambientes terrestres. Una explosión semejante y aun más rápida dio origen a las aves.

• Extinción: corresponde a un fenómeno particularmente bien documentado en el registro fósil, gracias a un estudio realizado por J. John Sepkoski Jr. y David M. Raup, de la Universidad de Chicago, que requirió seis años de intenso trabajo. Se demostró que la tasa de extinción basal es de aproximadamente 180 a 250 especies por cada millón de años, interrumpida cada 26 millones de años por un período de extinción masiva.

Sin importar qué causó este y otros períodos de extinción masiva, los efectos que producen en el curso siguiente de la historia evolutiva son claros. Al extinguirse grupos enteros de organismos, lo que en apariencia ocurre independientemente de la eficiencia de las soluciones que dieron a los problemas comunes que enfrentan todos los seres vivos, se abrieron nuevas oportunidades para los grupos de organismos que sobrevivieron, diversificándose en el curso de la explotación del nuevo espacio disponible, con nuevas y novedosas soluciones a los problemas comunes de los organismos vivos. En cada extinción masiva, el curso de la evolución fue alterado dramáticamente: mientras unas especies fueron eliminadas completamente del árbol evolutivo otras sufrieron nuevas y vastas diversificaciones.

H C E P C 219



7. Historia de la vida en la Tierra 7.1 Formación del Sistema Solar Nuestro universo comenzó de acuerdo con la teoría del Big- Bang, con una explosión que llenó todo el espacio, en el que cada partícula de materia se alejó rápidamente de la otra, dispersando polvo cósmico, residuos y gases. La temperatura en ese momento era de aproximadamente 100 mil millones de °C. Esto ocurrió hace aproximadamente 10 a 20 mil millones de años. La inmensa nube que se convertiría en el Sol se condensó, gradualmente, hace unos 4.600 millones de años. A medida que los átomos de hidrógeno y de helio eran atraídos unos a otros por la fuerza de gravedad, en el centro de la nube cobraban velocidad mientras caían. A medida que la temperatura se elevaba, se intensificó la violencia de las colisiones hasta que los átomos de helio chocaron con tal fuerza que sus núcleos se fusionaron, liberando con ello energía nuclear. Según la teoría actual, los planetas se formaron a partir de los restos de gas y polvo que giraban alrededor de la estrella recién formada. El torbellino de polvo y las esferas en formación continuaron girando alrededor del Sol hasta que finalmente cada planeta hubo limpiado por completo su propia órbita, recogiendo la materia suelta a manera de una bola de nieve.

7.2 Formación de la Tierra Las evidencias geológicas indican que nuestro planeta tiene una antigüedad de unos 5.000 millones de años. Al comienzo la atmósfera del planeta estaba constituida por gas metano, amoníaco y vapor de agua. Además, contenía mucho más hidrógeno que la actual. Por esa razón se dice que era reductora. Cuando la temperatura bajó de 100 ºC, la corteza terrestre comenzó a enfriarse. El vapor de agua acumulado en la atmósfera primitiva se condensó y se produjeron lluvias que llenaron las partes bajas de la Tierra, formando los océanos. El agua de los océanos y las sales minerales dieron origen a una solución de gran importancia para el inicio de la vida: la sopa primitiva.

El destello eléctrico simula una tormenta eléctrica

7.3 El comienzo de la vida Según los registros fósiles, los primeros organismos vivos aparecieron en el planeta hace aprox. 3.000 millones de años. Para explicar su origen, se deben considerar varios aspectos, como las condiciones que debían existir en nuestro planeta antes que los primeros organismos se formaran. Para explicar esto, en el año 1920 el bioquímico ruso A. I. Oparin postula una hipótesis en la cual plantea las condiciones que la Tierra primitiva habría tenido para dar origen a moléculas orgánicas sencillas a partir de compuestos inorgánicos. H C E P C 220

Cámara de destellos eléctricos

CH4

NH3

H2 H2O

Flujo de agua fría Cámara de ebullición

Condensador

Aparecen moléculas orgánicas al cabo de unos días

Figura 14. Experimento de Miller.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Según Oparin, la aparición de la vida fue precedida por un largo período de lo que se denomina evolución química. Las condiciones generales que planteaba esta hipótesis se pueden resumir de la siguiente manera: la atmósfera primitiva contenía los elementos primarios de la materia viva: oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno, combinado con vapor de agua y otros gases simples. Además de estos materiales simples, la energía abundaba en el joven planeta. Había energía térmica, calor de ebullición (húmedo) y calor de cocción (seco). Gracias a estas condiciones se formarían moléculas orgánicas a partir de los gases atmosféricos y se reunirían formando un caldo diluido en los mares y lagos de la Tierra. Dado que habría muy poco oxígeno libre para reaccionar con estas moléculas orgánicas y degradarlas a sustancias simples, como el dióxido de carbono, ellas tenderían a persistir.

Sabías que...

Oparin publicó su hipótesis en 1922, pero como los científicos de esa época estaban convencidos de demostraciones de L. Pasteur, que refutaban la teoría de la generación espontánea, ignoraron sus ideas. La primera verificación de las ideas de Oparin fue realizada en la década de los 50 por Stanley Miller. Este investigador diseñó y llevó a cabo un experimento, que consistió en hacer circular en un aparato de vidrio, estéril y cerrado herméticamente, una mezcla gaseosa similar a la supuesta atmósfera primitiva (vapor de agua, metano, hidrógeno y amoniaco). Este sistema se sometió a descargas eléctricas, similares a las que se supone habría experimentado el planeta en sus primeros períodos. Después de 24 horas, cerca de la mitad del carbono presente originariamente en el metano se convertía en aminoácidos y otras moléculas orgánicas. Con posterioridad a los experimentos de Miller, se han obtenido una gran cantidad de compuestos orgánicos en síntesis prebiótica, como purinas, pirimidinas, azúcares, y 18 de los 20 aminoácidos que existen en los seres vivos. Aunque estos experimentos no han demostrado que dichos compuestos orgánicos se formaran espontáneamente en la Tierra primitiva, solo prueban que podrían haberse formado bajo condiciones supuestamente similares. No obstante la evidencia acumulada es muy grande y la mayoría de los bioquímicos cree actualmente que dadas las condiciones existentes en la Tierra joven eran inevitables las reacciones químicas productoras de aminoácidos, nucleótidos y otras moléculas orgánicas. Otros experimentos han sugerido el tipo de procesos por los cuales agregaciones de moléculas orgánicas pudieron haber formado estructuras semejantes a células, separadas de su ambiente por una membrana y capaces de mantener su integridad química y estructural.

a. Las primeras células

No se sabe cuándo aparecieron las primeras células vivas sobre la Tierra, sin embargo, los fósiles más antiguos encontrados hasta el momento, semejantes a las bacterias actuales, datan de 3.400 y 3.500 millones de años, alrededor de 1100 millones de años después de la formación de la Tierra Los primeros organismos vivos pudieron haber sido bacterias heterótrofas. La gran cantidad de materia orgánica que se encontraba en el medio proveía de las suficientes sustancias nutritivas para sobrevivir, obteniendo la energía mediante la fermentación. La competencia por las sustancias nutritivas hizo que muchas de ellas se especializaran. En el curso del tiempo, aparecieron otras células capaces de sintetizar moléculas orgánicas a partir de materiales inorgánicos (autótrofos). Sin embargo, descubrimientos recientes han planteado la posibilidad de que los primeros autótrofos pueden haber sido quimiosintéticos (usan la energía liberada por reacciones inorgánicas específicas para sintetizar sus propias moléculas orgánicas) o fotosintéticos (que usan la energía del Sol para impulsar sus reacciones sintéticas).

H C E P C 221


Herenci�, variació� � evolució� Con la aparición de los organismos fotosintetizadores, hace 3.000 millones de años aprox., se generaron compuestos orgánicos como la glucosa y compuestos inorgánicos como el oxígeno, el cual fue liberado al medio. Así, la atmósfera se fue enriqueciendo de oxígeno, hasta que 1.700 millones de años después pasó a ser una atmósfera oxidante. En el transcurso de este tiempo evolutivo los organismos heterótrofos habrían coexistido con los autótrofos. Los primeros organismos eucariontes, según los registros fósiles, se presentaron hace unos 1.000 millones de años y su origen se explica de acuerdo con la teoría planteada por Margulis: la teoría endosimbiótica. De acuerdo con esto, un proceso continuo de simbiosis entre diferentes células procariontes que fueron ingeridas, pero no digeridas, por otra célula procarionte anaerobia ancestral, originó una célula que sobrevivió y se reprodujo. Esta hipótesis se apoya en las observaciones realizadas en mitocondrias y cloroplastos, los cuales son organelos que poseen ADN propio, ribosomas y proteínas, lo que les da una cierta autonomía. Según esta teoría, las mitocondrias surgieron de bacterias aeróbicas y los cloroplastos, de cianobacterias. Luego los organismos eucariontes fueron capaces de desarrollar la reproducción sexuada, lo que permitió generar variabilidad genética en poblaciones celulares que surgieran de nuevos genotipos en el medio. Esto habría ocurrido en la era Precámbrica.

b. El surgimiento de los organismos superiores

En la era Precámbrica surgen los primeros organismos pluricelulares heterótrofos alterando el equilibrio en los ecosistemas marinos. Estos metazoos constituyen un nuevo eslabón en las cadenas tróficas. Paralelamente a este acontecimiento, se estabiliza el nivel de oxígeno en la atmósfera. Se producen a fines del Precámbrico el inicio de la radiación o expansión de las especies pluricelulares. La presión adaptativa que debieron soportar las primeras formas de vida pluricelular determinó el surgimiento de nuevas especies a partir de un tronco común, proceso conocido como radiación adaptativa. Así, en la diversificación de los reinos, a lo largo de los últimos 700 millones de años, aparecieron diferentes organismos que dieron lugar a verdaderas revoluciones poblacionales en conjunto con el ambiente.

c. Eras geológicas

La historia evolutiva de nuestro planeta comienza con el origen de la vida hace aprox. 3.500 millones de años. Llega hasta nuestros días con una gran diversidad de organismos que se han conocido de forma limitada. Recorriendo la historia de la vida sobre la Tierra, podemos destacar los eventos más importantes desarrollados en distintas eras geológicas. H C E P C 222

•

Formación de la tierra

Primeros seres humanos (11:59:40 P.M.) Primeras flores Invasión de la tierra por las plantas

Primeras rocas de la tierra 11 10 9

12

1

Primeros procariotas

2

Medianoche

3

8

4

Hoy

4

Primeros animales 7

5

1 Miles de millones

6 Primeros organismos multicelulares

6

de años atrás

5

3

7

2

4

8

3 2

Primeros eucariotas

Mediodía 1 11 12

9 10

Se comienza a acumular oxígeno libre

Figura 15. Historia de la tierra resumida en un día de 24 horas.

Era Precámbrica: en este lapso de tiempo que abarca desde hace 4.600 a 1.000 millones de años atrás, el más extenso de la historia de los seres vivos, ocurren las más grandes revoluciones a nivel celular.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Entre los procariontes, que dominaron la mayor parte de esta era, surgieron organismos capaces de hacer fotosíntesis, proceso que logró cambiar las condiciones de la atmósfera de nuestro planeta, haciéndola más rica en oxígeno. Este cambio permitió el surgimiento de nuevos organismos capaces de usar el oxígeno. Otro evento importante es la aparición de los eucariontes. Su mayor complejidad, basada en un sistema de membranas que rodearon su material genético y compartimentos aislados con distintas funciones, hizo que estos organismos alcanzaran mayor tamaño y diversidad. Gracias a la proliferación de los eucariontes, aparecieron los primeros organismos multicelulares. Este hecho fue la base para el surgimiento de los seres vivos de mayor complejidad. •

•

Era Paleozoica: esta era cubre desde 544 a 245 millones de años atrás. Uno de los eventos más importantes que ocurrieron fue la aparición de las formas de vida que dan origen a los principales grupos de organismos que hoy conocemos. En este momento los organismos eran esencialmente acuáticos, sin embargo, durante este período la vida comienza a invadir el ambiente terrestre. Primero las plantas, los musgos y las primeras plantas vasculares. Luego animales, como artrópodos y anfibios, dan origen a los primeros insectos y reptiles respectivamente. Hacia fines de esta era, el ambiente estaba formado por un gran y unificado continente (Pangea). Era Mesozoica: esta era abarca desde 245 a 65 millones de años atrás. En ella la Pangea comienza a romperse y a separarse, alcanzando al final de este período una distribución y disposición muy parecida a la que actualmente ocupan los continentes. Esta situación afectó de manera significativa las condiciones climáticas, lo que tuvo una gran repercusión en la distribución y diversificación de la vida. Los eventos más importantes que ocurren en esta era fueron la aparición y dominio de los grandes dinosaurios y el origen de los mamíferos. Además en este período surgen las plantas con flores.

Era Paleozoica

Era Mesozoica

El término de esta era se caracteriza por una masiva extinción de la vida marina y algunas formas terrestres, incluyendo los últimos dinosaurios. •

Era Cenozoica: esta era abarca desde hace 65 millones de años atrás al presente, se caracteriza por una gran diversificación y distribución de los organismos.

Además de la extinción de muchas aves y mamíferos grandes, hubo un gran surgimiento de nuevas especies de aves, mamíferos, insectos y plantas con flores, muchas de las cuales corresponden a las actuales. Los continentes alcanzan su posición actual y el movimiento de las placas tectónicas produjo la alteración de la superficie terrestre formando los valles y cordilleras, que actualmente forman el paisaje en el que vivimos. El hecho biológico más importante que ocurre durante el último período de esta era (periodo Cuaternario) es la aparición de la especie humana.

Era Cenozoica Figura 16. Organismos característicos de cada era geológica.

H C E P C 223



8. Adaptación en tiempo evolutivo Luego de 300 millones de años de vida exclusivamente acuática, los organismos vivos comenzaron a invadir la tierra. Para ello debieron sortear diversos obstáculos como la gravedad.

8.1 Historia evolutiva y adaptación en plantas

Figura 17. Helecho.

En los suelos húmedos situados a la orilla del agua, comenzaron a crecer unas pequeñas algas verdes que aprovechaban la luz solar y los nutrientes. No tenían cuerpos grandes que sostener contra la gravedad y dado que vivían en la película de agua que recubría el suelo, obtenían el agua con facilidad. Hace alrededor de 400 millones de años, algunas de estas algas dieron origen a las primeras plantas terrestres multicelulares . Inicialmente de formas simples que crecían poco, las plantas terrestres encontraron rápidamente soluciones a dos de las principales dificultades que ofrece la vida vegetal en tierra: a) obtener y conservar agua y b) mantenerse erguidas. La pérdida de agua por evaporación s e redujo mediante revestimientos impermeables en las partes de la planta que sobresalían del suelo, y por medio de estructuras semejantes a raíces que penetraban el suelo para extraer agua y minerales. Algunas células especializadas formaron conductos para transportar agua y minerales de las raíces a las hojas, denominados tejidos vasculares. Sin embargo, la reproducción fuera del agua planteaba di ficultades aun mayores. Las primeras plantas terrestres presentaban gametos masculinos móviles, capaces de nadar para su encuentro con el gameto femenino, y así llevar a cabo la fecundación, por lo cual estas especies estuvieron restringidas a los ambientes más húmedos como pantanos o lugares muy lluviosos, donde los gametos podían ser liberados en el agua para su encuentro y fecundación. Con estas adaptaciones, las primeras plantas terrestres ( musgos y helechos) se diversificaron extensamente, llegando en el período Carbonífero (era Paleozoica) a cubrir extensas franjas de tierra, especialmente en las riberas de cuerpos de agua. De esta manera se podían encontrar bosques de helechos arbustivos y alfombras de asociaciones de diferentes tipos de musgos. Entretanto, algunas plantas que habitan en regiones más secas habían perfeccionado estrategias reproductivas que ya no dependían de la disponibilidad del medio acuático. Las primeras especies con estrategias de este tipo fueron las coníferas (gimnospermas) como los pinos, cipreses y araucarias.

H C E P C 224

En este grupo, el gameto femenino permanece en la planta progenitora y las esporas masculinas (encerrados en granos de polen resistentes a la sequía) son arrastrados por el viento hasta alcanzar la estructura reproductora (conos) en que se encuentra el gameto femenino. El gameto femenino fecundado permanecía en la planta progenitora, donde se desarrollaba en el interior de una semilla, la cual proporcionaba protección y nutrientes al embrión que crecía en su interior.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Las coníferas, que no dependían del agua para reproducirse, prosperaron y se difundieron durante el período Pérmico (era Paleozoica). Durante este tiempo, los cambios geológicos provocaron el surgimiento de montañas y el clima se hizo más seco, reduciendo drásticamente los ambientes húmedos y pantanosos. Esto produjo la extinción de grandes grupos de helechos y musgos. Durante el período Cretácico (era Mesozoica), aparecieron las plantas con flores (angiospermas), que evolucionaron a partir de un grupo de plantas semejantes a coníferas. De esta manera los insectos polinizaban las flores y, al parecer, esta forma de reproducción parece haberles conferido una ventaja evolutiva por sobre las coníferas. La polinización por insectos es mucho más eficiente que la producida por el viento, debido a que las plantas que son polinizadas por el viento deben producir una cantidad enorme de polen para que estos alcancen su objetivo. En cambio, las plantas con flores requieren menor cantidad de polen para lograr la fecundación. Durante su historia evolutiva, las plantas con flores han desarrollado un gran número de adaptaciones específicas que les ha permitido colonizar diversos ambientes (excepto en regiones muy frías donde aún prevalecen las coníferas), llegando a ser el grupo más diverso entre las plantas en la actualidad. Estas plantas que colonizaron la tierra se convirtieron en una apetecida fuente de alimento para los animales que les siguieron en esta empresa de conquista.Los primeros animales que se aventuraron al nuevo territorio fueron los artrópodos, grupo al que pertenecen los insectos y arácnidos actuales, entre otros organismos. Historia evolutiva de las plantas

Briófitas

Traqueófitas plantas con semillas

Hepáticas

Musgos

Helechos

Gimnospermas

Angiospermas

Aparecen las flores y frutos

Aparecen las semillas y polen

Aparecen el tejido vascular verdadero y la lignina

Alga ancestral Figura 18. Evolución de las plantas.

H C E P C 225



8.2 Historia evolutiva y adaptación en animales Poco tiempo después de que evolucionaran las plantas terrestres y constituyeran fuentes potenciales de alimento, los primeros animales comenzaron a colonizar el ambiente terrestre. Los primeros animales que se aventuraron en el nuevo territorio fueron los artrópodos, grupo que comprende hoy en día los insectos, arañas, ciempiés, cangrejos y escorpiones. Estos resolvieron los problemas impuestos por la vida terrestre mediante preadaptaciones, de las cuales la más destacada era el esqueleto externo o exoesqueleto (cubierta dura que rodea al cuerpo, como en los cangrejos). Los exoesqueletos son impermeables y tienen la resistencia suficiente como para sostener un animal pequeño contra la fuerza de gravedad. También los artrópodos resolvieron otra dificultad que experimentan los animales terrestres: el respirar. Algunos artrópodos respiraban a través de agallas, estructuras que permiten el intercambio gaseoso en el ambiente acuático. En los insectos se desarrollaron tráqueas (pequeños conductos ramificados), que comunican el interior del cuerpo con el aire exterior. Los primeros animales vertebrados terrestres evolucionaron a partir de peces que tenían aletas parecidas a patas y un pulmón primitivo; un grupo de estos peces dio origen a los anfibios hace aproximadamente 350 millones de años.

Los reptiles evolucionaron a partir de los anfibios, incorporando novedosas adaptaciones para la vida en un ambiente tan exigente como fue la Tierra hace 286 millones de años aproximadamente. Entre sus novedosas adaptaciones se puede mencionar la fecundación interna y huevos de cáscaras duras resistentes a la desecación que les permitieron independizarse del agua para su reproducción, pieles resistentes e impermeables que les protegían de la posible deshidratación y pulmones más desarrollados. Sin embargo, su delicada piel y la necesidad del medio acuático para la fecundación de sus gametos, restringió a los anfibios a vivir ligados a las riberas de cuerpos de agua.

H C E P C 226

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Dos grupos de reptiles pequeños comenzaron, en forma independiente, caminos evolutivos nuevos que los llevaron a perfeccionar los sistemas de aislamiento del cuerpo del medio ambiente y los sistemas de reproducción. Uno de los grupos adquirió plumas y el otro pelo, dando origen a aves y mamíferos respectivamente, lo que les permitió mantener una temperatura estable y evitar la deshidratación. En cuanto a la reproducción, tal vez la innovación propuesta por los mamíferos sea una de las más eficientes: el desarrollo embrionario dentro del cuerpo de la madre, lo que les permite movilizarse en busca de alimento y protección. A principios de la era Mesozoica aparecen los primeros mamíferos. De ellos poco se sabe, ya que solo han quedado unos pocos fragmentos de cráneos, dientes y maxilares ocasionales. Aun así, estos restos fósiles nos indican que eran aproximadamente del tamaño de un ratón y de dientes afilados, lo que indica su condición carnívora de presas pequeñas (como insectos y gusanos), además de preferir algunos frutos y huevos. Durante 130 millones de años compartieron la Tierra con los gigantescos dinosaurios, período durante el cual se ramificaron en tres linajes principales: los monotremas (como el ornitorrinco y el equidna), los marsupiales (como los koalas, los canguros y las zarigüeyas) y los placentarios (Fig. 19). La repentina desaparición de los dinosaurios les permitió a estos mamíferos desarrollar una explosiva radiación adaptativa. A partir de la rama de los placentados se originaron varias l íneas, una de las cuales, la de los miembros del orden Primates, que incluye a los lémures, monos y antropomorfos, dio origen a los seres humanos.

Otros órdenes Ballenas P l a c e n t a r i Carnívoros o s

Marsupiales

S O D A R B E T R E V

Primates

Aves

M a m í f e r o s

Reptiles Oviposición (monotremas) Anfibios

Peces óseos

Peces cartilaginosos

Peces sin mandíbulas

S O D A R B E T R E V N I

Cefalocordados

H C E P C

Urocordados

227

Cordados ancestrales

Figura 19. Evolución de los cordados.




1.

Selección natural: mecanismo de la evolución propuesto por Charles Darwin y que representa la tendencia de los organismos que poseen adaptaciones favorables a su ambiente a sobrevivir y convertirse en los progenitores de la siguiente generación.

2.

Adaptación: modificación evolutiva que incrementa las probabilidades de supervivencia y de reproducción, marcado por el flujo de genes a la descendencia.

3.

Coevolución: evolución interdependiente de dos o más especies, que ocurre como resultado de sus interacciones en un tiempo largo.

4.

Evolución convergente: evolución independiente hacia una semejanza estructural o funcional en dos o más organismos con escaso parentesco entre sí, por lo común como resultado de adaptaciones a ambientes similares.

5.

Evolución divergente: forma de evolución de una especie en particular, que por el hecho de que parte de sus integrantes comienzan a separarse evolucionan de acuerdo al ambiente en que se encuentran.

6.

Órganos homólogos: corresponden a estructuras que tienen un mismo origen embriológico, sin embargo, por un proceso de evolución divergente, se adaptan a un ambiente nuevo, lo que hace que desarrollen una función diferente. Por ejemplo, la extremidad superior del hombre, la aleta pectoral de un delfín y el ala de un murciélago.

7.

Órganos análogos: se refiere a estructuras que tienen una organización anatómica distinta, sin embargo, cumplen con la misma función. Por ejemplo, las alas de insectos, aves y murciélagos.

8.

Especiación: aparición de nuevas especies por evolución, determinante para su origen es el aislamiento reproductivo.

9.

Biodiversidad: número y variedad de los organismos.

10. Variabilidad:

fenómeno que se observa en la naturaleza a través de la existencia de una multiplicidad de formas animales y vegetales.

H C E P C 228


a c i r t á p o l A

a c i r t á p m i S

n ó i c a i c e p s E

e n d ó s i e c n l u o r o t a v P e

N Ó I C U L O V E

a c i r t á p o r a P

o o t v i n e t c i u m d a o l s r i p A e r

e t n e g r e v n o c n ó i c u l o v E

e t n e g r e v i d n n ó i ó c i u c l u l o o v v e o E C

n ó l a i c r u c t e a l e n S

s a t c e r i d n I

n ó i c u l o v e o r c a M

s a t c e r i D

n ó i c u l o v e o r c i M

s s a a i v c i t n e l u d i o v v E e

s s a v a i í r t u o e l o T v e

k c r a m a L

n i w r a D

l i s ó f o r t s i g e R

a d a r a p m o c a í m o t a n A

a a í í g f o a r l o g o i r e b g o m i E B

s s o o g o n l a ó g r m Ó o h

s s o o n g o a l g r á Ó n a

n e g i r O

n ó i c n u F

a r a c l i u m c í l u e q o o m i B í a g o l o i B

H C E P C 229

H C E P C

230

Capítul� 8 Organism� � ambient�




Comprender cómo ha sido el crecimiento de la población humana a lo largo del tiempo.



Dimensionar el impacto en el medio ambiente del crecimiento de la población humana.



Comprender que la conservación del medio ambiente es responsabilidad del ser humano.



Analizar el efecto que ha generado el ser humano en el ecosistema, a través de la contaminación y sobreexplotación de la naturaleza.


Organism� � ambient�

Introducción Una población comprende a un grupo de organismos de la misma especie que habitan en un mismo lugar y tiempo. En la Tierra los seres humanos somos una población masiva, que crece desenfrenadamente como si los recursos disponibles fueran infinitos, es por lo anterior que nuestro planeta se ve gravemente afectado. El crecimiento de una población , también denominado crecimiento demográfico, es el cambio en cantidad de individuos de una población en un tiempo determinado. Todas las poblaciones de nuestro planeta experimentan diversos cambios cíclicos dependiendo de las condiciones del medio ambiente físico, de las características de la misma población y por supuesto de los recursos como el alimento y el agua disponibles en el entorno.

1. Crecimiento de la Población Humana El crecimiento de la población humana se d ebe a los grandes avances científicos y tecnológicos que posibilitan mejoras en la calidad de vida de las personas. De acuerdo a esto en la actualidad se ha visto que en el curso del año 2013, la cantidad de personas que viven en el planeta aumentó en ochenta millones y para el 1 de enero del año 2014 la población humana mundial alcanzó los siete mil doscientos millones de personas (Fuente: Fondo Alemán de la Población de la Tierra ). Por otro lado, el crecimiento de la población en los países menos desarrollados es desproporcionado, lo cual se teme, influirá en el aumento de la pobreza en todo el mundo. En cambio en los países más desarrollados el crecimiento poblacional tiende a estancarse o incluso reducirse.

9 8 7 s e n 6 o l l i m 5 e d s 4 e l i M 3

Población mundial total

2

Países en desarrollo

1

Países desarrollados

0 1750

1800

1850

1900

1950

2000

2050

Fuente: Banco Mundial, 2002. Figura 1. Crecimiento de la población humana.

Sabías que...

H C E P C

232

Si cuentas hasta diez, en este corto intervalo de tiempo han aparecido sobre el suelo de este planeta, veintisiete seres humanos más, 250.000 al día que compartirán con nosotros tierra, alimentos y agua o por lo menos lo intentarán.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� En el transcurso de la historia de la humanidad, el crecimiento poblacional ha tenido diferentes etapas de gran importancia: 1.

La iniciada a partir de la Revolución Neolítica con la aparición de la agricultura, permitió el asentamiento humano, aseguró la alimentación y mejoró las condiciones de vida, lo que provocó el aumento de la población humana.

2.

En el Paleolítico inferior se calcula que la población mundial era de unos 125 mil habitantes, todos en África.

3.

En el Paleolítico medio, hace 300 mil años, se alcanza el millón de habitantes en Eurasia.

4.

Hace 10 mil años, contemplando todos los continentes, se alcanza los 5 millones de habitantes.

5.

A comienzos de la era Cristiana, la población mundial alcanza los 300 millones de habitantes.

6.

Llegado el año 1000, la población mundial alcanza los 310 millones de habitantes.

7.

Sin esperarlo, llegada la Edad Media la población se estanca, incluso se reduce, ya que durante esta época la población mundial se enfrentó a escasez de recursos alimenticios, malas condiciones higiénicas, que finalmente la llevaron a padecer enfermedades.

8.

Llegada La Revolución Industrial, segunda mitad del siglo XVIII, se da paso a un crecimiento demográfico de tipo exponencial en un período muy corto de tiempo.

9.

Ya hace unos 250 años, la población mundial alcanza los 800 millones y desde esa fecha ha ido aumentando de manera progresiva.

10.

Hasta mediados del siglo XX sigue aumentando de forma continuada pero estable, y a partir de esa fecha, de manera exponencial.

La tasa del crecimiento anual acumulativo de la población mundial se mantuvo alrededor del 4-5% desde principios del siglo XIX hasta principios del siglo XX. Desde ese tiempo, el ritmo de crecimiento de la población mundial se dispara, con ciertas oscilaciones, entre un 15-20% anual.

Población mundial

8000

s 6000 e n o l l i M 4000

2000

0 1750

1800

1850

1900

1950

Años Figura 2. Crecimiento de la población mundial.

2000

H C E P C 233



A partir de esto se estima que el tiempo necesario para la duplicación de la población mundial se ha reducido. Si en el año 1500, la población era de 500 millones de personas, pasaron cerca de 300 años para acercarse a 1.000 millones de habitantes. Sin embargo hacia 1930 la población estaba en los 2.000 millones de habitantes, y en 1975, la población alcanza los 4.000 millones de habitantes. Apenas 45 años después, la cifra ya se duplica. En las últimas décadas el aumento del ritmo de duplicación de la población mundial se ha ralentizado notablemente. El máximo ritmo de crecimiento fue entre la década del 60 y 70, aproximadamente, que llegó a 30 años. Hoy en día el período de duplicación de la población, se establece en 60 años.

12 10 s e n o l l i m n e n ó i c a l b o P

Fecundidad

8

Alta Media Baja

6 4 2

En los últimos años hemos pasado de 2,5 B a 7 B lo que supone un crecimiento del 180%

0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Años

Fuente: Naciones Unidas,

2005 .

Figura 3. Proyección crecimiento población mundial.

Hay datos estimativos de que la población mundial está desacelerándose en su crecimiento, aunque ello no significa que los recursos alcancen, porque la esperanza de vida es mayor que antes. La gran población mundial está afectando gravemente los ecosistemas del planeta. Los Ecosistemas de nuestro planeta se mantienen y regulan por sí mismos, pero el ser humano interviene de forma negativa sobre ellos produciendo la degradación de estos, en los aspectos que se mencionan a continuación.

H C E P C 234

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 2. Efectos de la actividad humana sobre los ecosistemas La extinción de las especies es un fenómeno natural que se ha dado continuamente en el curso de la evolución, pero la intervención humana ha modificado y contaminado el hábitat natural, acelerando este proceso.

2.1 Efecto sobre el agua El agua es imprescindible para la vida, sin embargo, está siendo constantemente contaminada. Por ejemplo, en el océano abierto, los barcos que surcan los mares tiran por la borda millones de contenedores de plástico diariamente; tiras de plástico que sostienen a latas de bebidas o cerveza, material de empaque, entre otros, son arrastrados por el agua y por el aire desde la tierra hacia los océanos, lugar donde se acumulan. El plástico es consumido por tortugas, gaviotas, delfines, focas y ballenas, las cuales frecuentemente mueren después de consumirlas. También ha servido como terreno para tirar desperdicios nucleares. Además, debemos considerar la contaminación causada por el petróleo a través de derrames de barcos petroleros, escurrimientos por manejos inadecuados en la tierra, filtraciones de pozos petroleros costeros y filtraciones naturales. Por último, la creciente demanda de peces para alimentar a una población humana en crecimiento, junto a tecnologías de pesca más eficientes, ha resultado eficiente en la disminución de importantes grupos de peces. Las tierras húmedas (pantanos, manglares) y las fuentes de agua dulce, como ríos, lagos y lagunas, han sido utilizadas en forma indiscriminada, especialmente para el consumo humano o para la actividad agropecuaria e industrial. En aguas de poca circulación, como bahías, estuarios cerrados o semicerrados, orillas de ríos, etc., el uso de compuestos químicos nitrogenados y fosfatados provenientes de detergentes, jabones y otros productos produce un excesivo enriquecimiento de las aguas. Dichos nutrientes provocan un explosivo crecimiento de algas y otros organismos con ciclos de vida cortos. Estos productores forman una costra en la superficie del agua que priva de luz solar a las plantas y algas que habitan en el interior del lago, laguna o estuario, provocando su muerte. Esta muerte causa un incremento de bacterias y otros descomponedores, los cuales reducen la cantidad de oxígeno, agotando este recurso para la vida acuática. Como consecuencia, toda l a vida acuática perece. Este fenómeno recibe el nombre de eutroficación (Fig. 4).

Equilibrio entre los organismos (filtradores y productores primarios)

Incremento de la turbidez del agua, por la disminución de organismos filtradores y el aumento de productores primarios

Sedimento anóxico

sedimento bien oxigenado a) Situación normal

b) Eutroficación

Figura 4. Eutrofización.

H C E P C 235



2.2 Efecto sobre el aire En forma permanente hay liberación de gases contaminantes hacia la atmósfera, los que se mezclan y se distribuyen por todo el planeta, sin que importe su lugar de emisión. Entre las principales fuentes contaminantes están las industrias, los hogares, los automóviles, los buses y otros medios de transporte, cuyas emisiones gaseosas tienden a disminuir la concentración de ozono (O 3) de la estratosfera y aumentar el de la troposfera (parte de la atmósfera más cercana a la Tierra), donde es un gas contaminante y principal componente del smog urbano. El trabajo realizado hasta ahora por el Panel Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático (IPCC), ha sido fundamental para mejorar ostensiblemente la certeza sobre el cambio climático y el rol del hombre en él, y para apoyar los avances en el proceso de negociación internacional asociado a la Convención de Cambio Climático y su Protocolo de Kyoto. Paulatinamente, los informes científicos de este Panel han constatado, cada vez con mayor certidumbre, la influencia humana en el sistema climático. El primero ( 1990), concluyó que las emisiones de gases de efecto invernadero habían aumentado, sin poder asignar una causalidad definida. El segundo ( 1995), fue crucial para agilizar la adopción de un instrumento vinculante que obligara a las naciones industrializadas a reducir sus emisiones (dando como resultado el Protocolo de Kyoto), pues el Panel concluyó que existía “una influencia humana discernible” sobre el clima mundial. El tercero (2001), fue más allá aún, al afirmar que “existe evidencia nueva y contundente de que la mayor parte del calentamiento observado en los últimos 50 años es atribuible a actividades humanas”, y asigna diferentes porcentajes de participación en el total de gases al dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O) (60, 20 y 6% respectivamente), y a otros gases como los perfluorocarbonos (PFC), hidrofluorocarbonos (HFC) y al hexafluoruro de azufre (SF 6), más perniciosos aún que los primeros en términos de su potencial d e calentamiento global. En su Cuarto Informe de Evaluación (2007), el IPCC asevera, con una certeza de más del 90%, que el hombre es el causante del aumento constatado de emisiones de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, y que ello —ligado a un aumento de la temperatura promedio mundial de 0,74 °C medida entre los años 1906 y 2005— ha tenido una incidencia directa en los cambios observados en muchos sistemas físicos y biológicos, desde comienzos de los 70. Dichas emisiones seguirán aumentando en las próximas décadas, de continuarse las políticas actuales de mitigación de cambio climático y las prácticas de desarrollo sustentable relacionadas. Se debe, por tanto, realizar un esfuerzo considerable para reducir la concentración de estos gases en la atmósfera, de modo de estabilizar su concentración a un nivel que cause el menor impacto posible. El Panel ha sido claro al señalar que para lograr estabilizar la concentración de dichos gases en la atmósfera, entre 445 a 490 partes por millón (ppm) de CO 2 equivalente hacia fines del siglo XXI (nivel de estabilización más bajo de los evaluados por el IPCC), se necesita que disminuyan las emisiones antes del año 2015 y que se reduzcan, aún más, a menos del 50% de las emisiones actuales para el año 2050. Para alcanzar este objetivo, los países industrializados, como grupo, deberían para 2020, reducir las emisiones en una escala del 25 al 40% por debajo de los niveles registrados en 1990. Por su parte, las emisiones de los países en desarrollo necesitarán disminuir por debajo de sus emisiones de línea de base proyectadas en los próximos decenios.

H C E P C 236

) m p p ( o n o b r a c e d o d i x ó i D

) m / W ( o v i t c a i d a r o t n e i m a z r o F

2

) m / W ) ( b p o p v ( i t o c a s i o r d a i r t o n o t n i e d x i Ó m a z r o F

2

) b p p ( o n a t e M

Figura 5. Cambios en los gases de efecto invernadero (GEI) inferidos de núcleos de hielo y de datos recientes.

) m / W ( o v i t c a i d a r o t n e i m a z r o F

2

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� a. Efecto invernadero

El efecto invernadero, como proceso natural, permitió el desarrollo de la vida en la Tierra, ya que se logró mantener una temperatura más cálida en el planeta. En la actualidad este efecto está en aumento gracias a diversos contaminantes. El dióxido de carbono constituye solo una pequeña fracción de la atmósfera de la Tierra, aproximadamente 0,035%, pero en los últimos 100 años ha ido aumentando, principalmente como consecuencia del aumento en la combustión de combustibles fósiles. Los análisis recientes han mostrado que la destrucción de las selvas también contribuye al aumento de los niveles de CO 2 en la atmósfera. El problema radica en que existe una mayor producción que fijación de CO2. El CO2 tiene una propiedad importante por lo que su acumulación es preocupante, ya que atrapa calor. Este gas actúa como el cristal en un invernadero, permitiendo que entre la energía en forma de luz solar, pero absorbe y conserva esa energía una vez que se ha convertido en calor (Fig. 6). Varios gases invernadero comparten esta propiedad, incluyendo el metano, los clorofluorocarbonos y el óxido nitroso. Debido al efecto invernadero, el IPCC predice un aumento entre 1,0 y 3,5 ºC, en la temperatura media de la tierra, para el año 2100. Otra consecuencia preocupante de la tendencia de calentamiento es el cambio en la distribución global de la temperatura y de las precipitaciones. Efecto invernadero Energía solar

Solo parte del calor radiado desde la Tierra escapa al espacio

Acumulación de gases de invernadero en la estratosfera

La mayor parte del calor es absorbido por gases de invernadero y radiado de regreso a la Tierra Calor radiado desde la Tierra Estratosfera

Absorbida como calor por la Tierra

Troposfera Tierra

Figura 6. Efecto invernadero.

H C E P C 237



b. Destrucción de la capa de ozono El ozono (O3) es un componente esencial en la estratosfera, pero en la atmósfera inferior (tropósfera) es un contaminante producido por el hombre. La capa de ozono evita la penetración a la superficie terrestre de gran parte de la radiación ultravioleta (UV) proveniente del Sol. Los principales culpables de la destrucción de la capa de ozono son los compuestos clorofluorocarbonados (CFC), los cuales son hidrocarburos halogenados, cuya estructura contiene cloro, flúor o bromo. Se originan solo de la actividad humana, principalmente por el uso de aerosoles y refrigerantes. Son muy estables en la troposfera y tienen una vida media muy larga. Otros compuestos que atacan el ozono son halones (empleados en extintores de incendio), bromuro de metilo (pesticida), metilcloroformo (solvente industrial) y tetracloruro de carbono (empleado en diversos procesos industriales).

7000

CFCs

2

O C s e t n e l a v i u q e e d s a d a l e n o t e d s e n o l l i M

6000

HCFCs 5000

HFCs 4000

3000

2000

1000

0

Años

82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01

Figura 7. Producción de fluorocarbonos (1982 - 2001)

Los CFC y compuestos similares ascienden con lentitud a la estratosfera, donde se dispersan ampliamente y, a través de ciertas reacciones químicas, descomponen las moléculas de ozono, convirtiéndolo en oxígeno molecular.

Ojo con La capa de ozono se encuentra aproximadamente a 30 km de altura en la atmósfera y su función es protegernos de los rayos ultravioleta provenientes del Sol, evitando que estos alcancen la superficie terrestre. Por lo tanto, su deterioro traería consecuencias nefastas para la vida. La sobreexposición a los rayos ultravioleta sin ningún tipo de protección, puede causar mutaciones en el material genético, afectar el sistema inmune y provocar cáncer a la piel. En el caso de las plantas, disminuye su capacidad fotosintética. Radiación ultravioleta

Radiación ultravioleta

Ozono presente

H C E P C 238

Ozono ausente

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� Aunque 90% de las emisiones de sustancias agotadoras del ozono (SAO) ocurre en Europa, Norteamérica y Japón, los contaminantes se propagan en la atmósfera y las condiciones climáticas del Polo Sur (nubes y viento polar) favorecen las reacciones que convierten a las SAO en gases reactivos que destruyen el ozono. Por esta razón, aunque el problema es global, es menor cerca del ecuador y se incrementa con la latitud hacia los polos.El adelgazamiento de la capa de ozono en Antártica ha producido lo que se conoce como el agujero del ozono.

1979

2000

1990

2008

Figura 8. Reducción de la capa de ozono.

Los efectos sobre la salud humana son sólo uno de los motivos de preocupación, pues se ha observado que el fitoplancton (el principal productor de los ecosistemas marinos) ha reducido su capacidad de realizar la fotosíntesis, especialmente en la Antártica. También se ha visto que la mayor cantidad de radiación UV daña ciertos tipos de árboles y los cultivos agrícolas.

c. Lluvia ácida

El óxido nitroso y dióxido de azufre son los principales causantes de la lluvia ácida. Estos compuestos se relacionan principalmente con el uso de combustibles fósiles, como el petróleo. En la atmósfera, cuando el óxido nitroso y el dióxido de azufre se combinan con vapor de agua, se convierten en ácido nítrico y en ácido sulfúrico, respectivamente. Días después y a veces a miles de kilómetros de la fuente, caen lo ácidos, ya sea disueltos en lluvia, agua nieve, nieve o niebla. Estos ácidos al caer con la lluvia corroen los edificios, dañan los árboles y las cosechas, y dejan los lagos sin vida. La lluvia ácida también puede matar a microorganismos descomponedores, con lo que se impide el regreso de nutrientes al suelo. Las plantas, envenenadas y privadas de nutrientes, se debilitan y se hacen más vulnerables a las infecciones y a los ataques de insectos. En varios lugares de Chile se ha obser vado el fenómeno de la lluvia ácida como resultado de procesos industriales. Por ejemplo, el valle de Puchuncaví recibe los contaminantes producidos en Ventana por la refinería de cobre, la planta generadora de electricidad de Chilectra y las instalaciones de Codelco. En ese lugar, la lluvia ácida ha afectado gravemente la salud de las personas y el rendimiento de la agricultura del valle. Lo mismo se observa en los alrededores de la fundición de Chagres, en el valle del Aconcagua y en el valle del río Loa (producto de la contaminación de Chuquicamata, Antofagasta, Taltal y Tocopilla.

2.3 Efecto sobre la vida silvestre El hombre ha alterado el balance de las poblaciones naturales en ciertas áreas con la introducción de nuevas y exóticas especies para controlar pestes y depredadores. El hombre, sin lugar a dudas, actúa de manera determinante en el equilibrio de la naturaleza. Sin embargo, esta acción muchas veces modifica negativamente el medio, ocasionando graves alteraciones al equilibrio natural amenazando dramáticamente su propia existencia. H C E P C 239



a. Deforestación

La deforestación se define como la destrucción temporal o permanente de la población vegetal con fines agrícolas o de otro tipo. Cuando los bosques son destruidos, se pierden las valiosas contribuciones que hacen al ambiente o a las personas que dependen de ellos.

•

Efectos de la deforestación

- Incremento de la erosión del suelo y disminución de su fertilidad. - Daño a los ecosistemas acuáticos producto de los sedimentos que llegan al agua por la erosión del suelo. - En regiones secas, la deforestación propicia la formación de desiertos. - Contribuye a la pérdida de la biodiversidad del ecosistema. - Induce cambios climáticos regionales y gl obales. - Contribuye al aumento de la temperatura global. •

Agentes de la deforestación

Existen tres agentes que son considerados las causas más inmediatas de la deforestación: - Agricultura por la subsistencia. - Tala comercial. - Ganadería.

b. Otros efectos del ser humano

Además de los efectos humanos mencionados que dañan los ecosistemas, existen otros efectos que deben ser considerados, tales como: • • • • • • • • •

H C E P C 240

• • • •

• •

Sobreexplotación de recursos naturales. Utilización de pesticidas no biodegradables (por ejemplo, DDT). Crecimiento poblacional excesivo. Consumo desproporcionado de alimentos. Elevadas tasas de crecimiento en ciertos países. Cacería ilegal y captura no controlada con fines comerciales. Control de plagas o depredadores nativos. Eliminación inadecuada de basuras. Liberación de productos tóxicos por industrias, vehículos motorizados y en la actividad doméstica, provocando con ello polución atmosférica. Modificación del hábitat de las especies. Transformación de bosques y selvas en terrenos de cultivo. Sobreexplotación de especies hasta la extinción. Introducción arbitraria y no regulada de especies en ecosistemas. Se incluyen especies que no tienen competidores ni depredadores, o que son ellas mismas depredadores demasiado eficientes o fuertes competidores, desplazando especies endémicas (especies propias de un lugar determinado). Ciudades que invaden el espacio de plantas y animales. Monocultivos de especies de alto rendimiento, para nuestra alimentación.


Actividades

1.

Explica cómo se genera el efecto invernadero.

2.

¿Cuáles son los problemas ambientales más significativos que puede causar el calentamiento global?

3.

Explica la función de la capa de ozono en nuestro planeta y describe cómo se produce su destrucción en la actualidad.

4.

Explica cuáles son los efectos de las lluvias ácidas en nuestro planeta en la actualidad.

5.

Menciona los principales factores que en nuestro país han causado la extinción de numerosas especies, tanto vegetales como animales.

6.

¿De qué manera tú podrías contribuir a evitar la extinción o disminución de la diversidad ecológica de nuestro país?

3. Conservación de los recursos

Para conservar los recursos renovables se requiere de un trabajo responsable en todos los niveles de la sociedad. La población, en general, debe respetar los recursos utilizándolos en forma racional y evitando contaminar el ambiente. Las empresas que explotan recursos deben cumplir las normativas vigentes de conservación, elaborando planes de manejo que no pongan en riesgo el ambiente ni la disponibilidad de recursos, tanto en el presente como en el futuro. El Estado debe implementar políticas para la conservación de recursos y garantizar su aplicación. En la actualidad Chile cuenta con un “Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE)”, que consiste en proteger y manejar estos ambientes naturales para conseguir los objetivos de protección y conservación. Comprende a todas las áreas declaradas Parques Nacionales, Reservas Nacionales, Monumentos Nacionales, entre otros, administradas por la Corporación Nacional Forestal (CONAF), dependiente del Ministerio de Agricultura. 4. Biodiversidad

De acuerdo a la Ley de Bases Generales del Medio Ambiente: “la biodiversidad o diversidad biológica es la variabilidad entre los organismos vivos que forman parte de todos los ecosistemas terrestres y acuáticos. Incluye la diversidad genética dentro de una misma especie, entre especies y entre ecosistemas”. Las especies son las diferentes clases de vegetales, animales y microorganismos que pueblan la Tierra. A través de miles de millones de años han aparecido nuevas especies, mientras que aquellas que no pudieron adaptarse a los continuos cambios de las condiciones ambientales se extinguieron. En nuestro planeta, hay unos 30 millones de especies, pero hasta ahora la biodiversidad que se ha descrito y clasificado se estima en alrededor de 1.750.000 especies, aunque según algunos científicos es posible que existan hasta 100 millones de especies sin identificar todavía. De la cifra conocida, la mayoría ( 750.000) son insectos, 41.000 vertebrados y 250.000 plantas; el resto se compone de una compleja gama de invertebrados, hongos y microorganismos.

H C E P C 241

8


� l u t í p a C

La mayoría de las especies se encuentran cerca del Ecuador, mientras que cerca de los polos hay muchas menos. La diversidad de especies tiene su punto culminante en las selvas tropicales y en los arrecifes de coral. Por ejemplo, en una hectárea de bosque tropical de América Latina puede haber de 40 a 100 especies de árboles, mientras que en una hectárea de bosque en el este de América del Norte solo hay de 10 a 30 especies.

Actividades

1.

Define el término biodiversidad.

2.

¿En qué sector de nuestro planeta existe una mayor biodiversidad de especies? Fundamente su respuesta.

4.1 Biodiversidad en Chile En Chile la biodiversidad no se caracteriza por ser numerosa, pero sí por poseer un alto nivel de endemismo (propio del país) en comparación con otros países de clima similar (clima templado). La posición geográfica aislada del territorio nacional, la variedad de climas, el tamaño reducido del área continental y la historia del poblamiento faunístico son las causas de esto. Pero además de las especies, los ecosistemas también poseen características endémicas. El 25% de las ecorregiones vegetacionales son endémicas, así como el 70% de las ecorregiones de ambientes dulce-acuáticas.

4.2 Peligros y amenazas de la biodiversidad

H C E P C 242

La extinción de especies es un proceso natural, pero con el inicio de la actividad agrícola hace 10 mil años, la expansión de los asentamientos humanos y el desarrollo del comercio y la industria, esta aumentó notablemente. Hoy cada 30 minutos se extingue una especie en el mundo, lo que representa un constante agotamiento de la riqueza biológica del planeta. Algunos autores sugieren que para el año 2025 podrían desaparecer hasta la mitad de las especies actualmente existentes; pérdida que sería muy difícil de compensar, ya que se necesitan entre 2.000 a 100.000 generaciones para que evolucione una nueva especie.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� La mayor amenaza a la biodiversidad es la transformación, alteración y destrucción de ecosistemas naturales producto de los cambios en el uso del suelo, generalmente para cultivar la tierra. La deforestación para estos fines, especialmente de los bosques tropicales lluviosos, constituye una de las principales causas de pérdida de biodiversidad. Estos bosques consumen gran parte del dióxido de carbono, uno de los principales gases de efecto invernadero y generador del calentamiento global. En los bosques tropicales lluviosos vive entre un 50% a 90% de las especies y su importancia radica no solo en su rica biodiversidad, sino también en la variedad de culturas humanas. Otro ecosistema muy delicado y con gran diversidad son los arrecifes de coral, los humedales y pantanos, lugares de gran productividad biológica, usados por las aves acuáticas para la cría y la alimentación y el descanso en sus emigraciones. Otras graves amenazas son: • • • • •

Introducción o invasión de especies exóticas. Sobreexplotación de especies con fines comerciales, con la consecuente destrucción de hábitat de plantas y animales. Contaminación del suelo, aire y agua. Crecimiento demográfico e incremento en el consumo de recursos, lo que implica alteración de ecosistemas naturales y generación de desechos. Cambios climáticos globales.

Se suman a estas causas la falta de un enfoque ecologista que dé cuenta de la complejidad e interdependencia de sus componentes; las deficientes políticas en la gestión y manejo de los recursos naturales; los efectos del comercio internacional; los desequilibrios en la distribución del ingreso; las fallas en la asignación de los derechos de propiedad, etc.

Actividades

Algunas causas de deterioro ambiental y su contribución relativa Causas de deterioro ambiental

Contribución relativa

Acción humana (incendio, deforestación)

22,8 %

Erosión por agua

19,3%

Aumento área urbana e industrial

16,7%

Alteración por químicos

15,8%

Otros

25,4%

Total de problemas ambientales identificados

1.288

Total de problemas relacionados con pérdida de suelo

144

Fuente: Comisión nacional del medio ambiente (CONAMA)

En base a los datos entregados en la t abla anterior, desarrolla las siguientes preguntas: 1.

Realiza una comparación en cuanto a orden de importancia, entre las diversas causas de deterioro ambiental.

2.

Clasifica las diversas causas de deterioro ambiental natural y artificial. Explique además los efectos del deterioro ambiental sobre la biodiversidad.

H C E P C 243

8


� l u t í p a C

Ojo con En Chile las principales causas de pérdida de la biodiversidad son la extracción de recursos naturales, los cambios en el uso del suelo y la contaminación urbana, industrial y agrícola. A lo largo de la historia estas presiones han llevado a tener un pasivo ambiental, con signos de alteración del territorio a nivel nacional, regional y local. Las principales expresiones de estos deterioros acumulados son la erosión de los suelos, la disminución de los caudales y la sedimentación en algunos ríos a niveles tales que no pueden cumplir con sus funciones ecológicas; las bajas en los desembarques pesqueros; las pérdidas de hábitat, naturales, incluyendo bosque nativo; y la degradación del paisaje. Además, por su ubicación y características geográficas, Chile es particularmente vulnerable y directamente afectado por los fenómenos ambientales globales como la exposición a la luz ultravioleta debido al agotamiento de la capa de ozono y a los fenómenos de inestabilidad climática provocados por la corriente “Del Niño” y por el cambio climático.

Actividades

En base a la siguiente información, desarrolla algunas preguntas que a continuación se presentan.

Ejemplos de especies introducidas en Chile y sus efectos ecológicos

H C E P C 244

Especies introducidas

Efectos sobre la flora y fauna

Mirlo

Parasita los nidos de aves nativas

Liebre y conejo

Compiten por alimentos con mamíferos nativos, sobrepastorean la vegetación, constituyen nuevas presas para los depredadores nativos.

Rata Noruega (Guarén), Rata negra (Pericote), Ratón (Laucha)

Comen y ensucian granos almacenados para consumo humano y animal, depredan sobre aves nativas y sus huevos, transmiten enfermedades al ser humano.

Visón

Depreda sobre fauna nativa.

Jabalí

Destruye la vegetación y consume huevos y crías de fauna nativa.

Ciervo, Gamo, Cabra silvestre

Destruyen la vegetación nativa.

1.

Indica las ventajas y desventajas que para nuestro país representa la introducción de especies exóticas.

2.

Formula una hipótesis predictiva del efecto a futuro que podría tener en Chile la introducción de especies exóticas.

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 4.3 Protección de los ecosistemas naturales Proteger los ecosistemas es de vital importancia, dado los bienes y servicios que estos proporcionan. Entre las funciones naturales que estos desempeñan se encuentran: purificación del agua y el aire, control de la erosión, regeneración del suelo, protección de cuencas, regulación de la temperatura, absorción y reciclaje de nutrientes y desechos, polinización y dispersión de semillas vía insectos, aves y mamíferos, entre otros. Junto con esto, los ecosistemas satisfacen las necesidades humanas básicas y son esenciales para la supervivencia humana en el futuro, ya que estos proporcionan: •

Recursos para la agricultura, silvicultura, acuicultura y ganadería.

•

Recursos medicinales y farmacéuticos.

•

Materias primas para los procesos industriales de bienes y servicios (turismo).

•

Valor recreativo, estético o científico.

Los bienes y servicios de los ecosistemas son la base de las economías nacionales, proporcionan empleo y generan bienestar social y ambiental. La reducción de la productividad de los ecosistemas tiene efectos directos sobre las economías locales y puede tener elevados costos sociales y ambientales, afectando de modo más fuerte a los grupos más vulnerables. La aparición de los organismos genéticamente modificados (OGMs) ha generado un importante debate internacional sobre el tema de la bioseguridad y el impacto adverso que estos pueden tener en la salud humana y en la diversidad de especies, particularmente en aquellas de importancia alimentaria y comercial en el aspecto mundial. El debate gira en torno al establecimiento de mecanismos de precaución, para evitar riesgos derivados de la comercialización de OGMs que puedan provocar un efecto de “contaminación” o “erosión” genética.

4.4 Estrategias de protección de la biodiversidad Si bien nadie duda de la dependencia del ser humano del ecosistema, integrar las consideraciones sobre su capacidad productiva en las decisiones relacionadas con el desarrollo es una tarea difícil, pues requiere revisar algunos aspectos básicos sobre la manera de medir y planificar el crecimiento económico. La pobreza obliga a muchas personas a pasar por alto los límites naturales de los ecosistemas de los cuales dependen, aun cuando estén conscientes. Así, al mismo tiempo que crecen las demandas por los servicios prestados por los ecosistemas, las actividades humanas disminuyen su capacidad para satisfacerlas en el futuro. Las estrategias globales para proteger la biodiversidad apuntan a: •

Mantener los procesos ecológicos esenciales y los sistemas que sostienen la vida, de los que dependen las actividades económicas y la supervivencia humana.

•

Preservar la diversidad de especies y la diversidad genética.

•

Asegurar que todo uso de especies y de ecosistemas sea sustentable.

Todo esto quedó establecido en la Estrategia Mundial de Conservación, desarrollada en 1980 y ampliada en 1991 por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN en sus siglas en inglés), el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y la Fundación Mundial para la Conservación de la Vida Silvestre (WWF en inglés). Junto con esto, existen también acuerdos internacionales relativos a la biodiversidad, las especies y los ecosistemas, que plantean medidas o estrategias de protección y resguardo para distintos fines. Chile ha firmado y ratificado los acuerdos más importantes en esta materia.

H C E P C 245



Por otro lado, el consenso internacional acerca de la necesidad de proteger las especies y sus hábitat ha llevado a que distintos países planeen estrategias locales para alcanzar este objetivo. La manera más común de hacerlo es a través de sistemas de parques, refugios, reservas, etc. En el mundo reciben esta protección alrededor de 7 mil hectáreas ( 4.8% de la superficie terrestre) y 300 están designadas como Reservas de la Biosfera por la UNESCO. La conservación de la biodiversidad tiene por objetivo establecer un nivel adecuado de protección para la totalidad de los ecosistemas relevantes del país. La participación de la comunidad, la empresa privada y la administración pública, son fundamentales para decidir en conjunto qué es lo que se quiere proteger y las razones para ello, y cooperar activamente para lograr este objetivo.

Actividades

1.

¿Qué medidas se están tomando en nuestro planeta para evitar la reducción de la biodiversidad?

2.

En Chile, ¿qué medidas se están tomando para conservar la biodiversidad?

3.

¿Qué medidas tú tomarías actualmente para contribuir a conservar la biodiversidad de nuestro país?

5. Principios básicos de conservación y manejo sustentable de recursos renovables 5.1 Conservación La conservación es una disciplina que busca conseguir el uso prudente y aprovechamiento de los recursos naturales renovables de forma inteligente que permita la obtención del máximo beneficio que son capaces de lograr, pero asegurando su mantención e incremento a través del tiempo gracias a su capacidad de regeneración. Esta disciplina no solo busca, enumera y describe los problemas ambientales, como por ejemplo, que el aire está más contaminado, o que el70% del agua pura es desperdiciada en actividades ind ustriales o agrícolas, también la conservación influye en la toma de decisiones, tanto políticas como personales, en cómo aprovechar mejor la energía, respetar el derecho a la vida de todos los organismos que habitan el planeta y no atacarlos solo por diversión. Chile requiere desarrollar estrategias que le permitan aprovechar sus recursos naturales, que le den acceso a competir en este mundo globalizado, que amplía el número de mercados acrecentando las oportunidades de mejorar las condiciones sociales de s u población, pero cuidándose de las amenazas de peligro que esto trae, por esta razón debe realizar esta explotación en el marco de una relación entre el humano y su medio, que asegure un desarrollo sustentable en el corto, mediano y largo plazo. H C E P C 246


Ojo con Desarrollo Sustentable

De acuerdo a la ley de Bases del Medio Ambiente N° marzo de 1994, Artículo N° 2, letra g:

, publicada en el diario oficial del 9 de

19.300

Desarrollo sustentable: Es el proceso de mejoramiento sostenido y

equitativo de la calidad de vida de las personas, fundado en medidas apropiadas de conservación y protección del medioambiente, de manera de no comprometer las expectativas de las generaciones futuras. Para cumplir con las bases de la ley del medioambiente es necesario conocer el estado de conservación de las especies nativas, así como cuáles son las medidas de protección tomadas. a. Categorías de estado conservación de las especies

• Extintas en su distribución natural: se considera que una especie está extinta en su distribución natural, cuando no ha sido localizada en su hábitat a lo menos durante los pasados 50 años. Ejemplo de especies extintas son: el zarapito boreal, el sándalo de Juan Fernández del archipiélago del mismo nombre, el toromiro de la Isla de Pascua. • En peligro: son aquellas especies de las que existe un escaso número de ejemplares en la naturaleza y cuya existencia está seriamente amenazada si los factores causales, naturales y humanos, continúan afectándolas. Se incluyen especies cuyas poblaciones se han reducido a un nivel crítico o cuyo hábitat ha disminuido tan drásticamente, que se hallan en riesgo inminente de extinción. Como ejemplo de especie en peligro de la flora, se encuentra el belloto del Sur, que se distribuye en la VI, VII y VIII región y la avellanita que redistribuye en la V región y Región Metropolitana. Como ejemplo de especie en peligro de la fauna, se encuentra la chinchilla de cola corta; la vicuña, que se distribuye desde la XV a la III región; el huemul que se redistribuye desde VIII, X, XI y XII región, la nutria de río o huillín desde el río Cachapoal, antiguamente se distribuía desde la VI Región hasta Magallanes, pero ha sido marginada a solo algunos ríos del sur de Chile y el sapo de rulo que habita en el altiplano de Chile. • Vulnerables: son aquellas especies que podrían pasar a la categoría de EN PELIGRO en el futuro próximo, si las causales de su disminución continúan existiendo. Incluye a especies cuyas poblaciones están disminuyendo por sobreexplotación, destrucción intensiva del hábitat u otras alteraciones del medioambiente. Como ejemplo de especie vulnerable de la flora, se encuentra la palma chilena, que se distribuye desde la IV a VII, el ciprés de la Cordillera que se distribuye desde la V a X y RM, la araucaria que se distribuye desde la VIII a X región y el Alerce de la X región. Como ejemplo de especie vulnerable de la fauna se encuentra la Vizcacha, que habita entre Calama y la Araucanía; el Puma, que habita la gran mayoría de las unidades del Sistema Nacional de Áreas Silvestres

H C E P C 247



•

Raras: se refiere a especies que aparentemente siempre han sido escasas, que están en los últimos estados de su extinción natural; o especies con distribución muy restringida, con pocas defensas y escaso poder de adaptación.

Como ejemplo de especie rara de la flora, se encuentra el Anisillo de distribución entre la II y III región; el Arrayán de hoja roja, que se distribuye entre la IV y V; y el Radal enano, que se distribuye entre la VII a IX Región. Como ejemplo de especie rara de la fauna, se encuentra la perdiz copetona que habita en la Región de Aysén, la perdiz austral que habita en Aysén y Magallanes, y la garza cuca que habita entre Antofagasta (Paposo) y Magallanes. •

Insuficientemente conocidas: son especies que se suponen incluidas en alguna de las categorías mencionadas anteriormente, pero cuyo estatus se definirá de acuerdo a futuras investigaciones.

•

Fuera de peligro: considera a especies que presentan un estado de conser vación satisfactorio o a aquéllas que estuvieron en una de las categorías anteriores, pero que en la actualidad están relativamente seguras debido a las efectivas medidas de conservación.

b. Causas de la disminución de la Flora y Fauna de Chile

Entre las principales causas de la disminución de la flora y fauna autóctona, está el uso de suelos forestales para la agricultura y ganadería, la destrucción del hábitat por medio de la disminución del bosque nativo, la desecación de humedales para su habilitación como terrenos de agricultura y ganadería, la introducción de especies foráneas que compiten sin control natural por alimento y espacio con las especies nativas, sin contar con las enfermedades que traen a nuestros territorios, contra las cuales nuestra flora y fauna no tienen defensas. También es importante mencionar como causas que disminuyen la flora y fauna, la expansión urbana, los incendios forestales y la explotación indiscriminada por tala en el caso de los bosques y la caza y la captura de animales. Las especies animales más afectadas son la chinchilla, la nutria, el guanaco, el zorro, el gato silvestre y los lobos marinos por sus pieles. El guanaco, el huemul, la vicuña, el pudú, la vizcacha por su carne. El guanaco, la vizcacha y la torcaza por caza deportiva. Estos solo son algunos ejemplos entre otros muchos, del porqué nuestra flora y fauna está en permanente peligro, si no hacemos algo ahora.

c. Consecuencias de la disminución de flora y fauna

La flora y fauna cumple funciones irremplazables en la mantención del equilibrio del ecosistema. Al disminuir y desaparecer la flora, los hábitat, naturales se deterioran, los suelos se erosionan, hasta llegar a la desertificación, los cauces de agua se pierden o bien se producen inundaciones, el ciclo del agua se ve completamente alterado, así como el oxígeno y el carbono, se pierden materias primas. La materia orgánica e inorgánica, al no haber descomponedores, no lleva a cabo sus ciclos, esto produce que los suelos se empobrezcan. Se modifican los suelos por falta de especies cavadoras. Desde el punto de vista económico se perderían materias primas para la industria, la farmacología y la artesanía. También se perdería la influencia que tiene la flora y fauna nativa en la recreación, alimentación rural y ecoturismo, entre otras actividades relacionadas con la economía del país. H C E P C 248

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� d. Programas de protección y recuperación de la Flora y Fauna de Chile La flora y fauna nativa de Chile presentan un deterioro grave, muchas de sus especies vegetales y animales están en peligro de extinción o extintas. Para enfrentar esta situación se han estructurado algunos programas de trabajo, tanto por el estado en la Corporación Nacional Forestal (CONAF) como asociaciones particulares como el Comité Pro Defensa de la Flora y Fauna de Chile (CODEFF), que son los dos ejemplos que estudiaremos con más detalle. CONAF tiene un programa de trabajo cuyas metas son desarrollar proyectos de investigación y manejo de especies con problemas de conservación. Para cumplir estas metas se han dedicado a determinar las especies que presentan problemas de conservación y establecer la situación actual de sus poblaciones, recabar antecedentes biológicos y ecológicos de las especies junto con el establecimiento de sistemas de vigilancia y monitoreo de las poblaciones, especialmente en las que se encuentran dentro de las Áreas Silvestres Protegidas. También persigue establecer las causas directas e indirectas que originan los problemas de conservación, el lugar del que son originarias y el estado de conservación de las especies. Formar lugares con especies, poblaciones y comunidades de flora y fauna de interés para ser incorporadas al Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE), y lograr la reintroducción de especies en problemas en localidades dentro de su área de distribución natural o bien en las Áreas Silvestres Protegidas. Finalmente, su meta es elaborar un plan de manejo racional para el uso sostenido de cada especie una vez que las poblaciones se hayan recuperado.

Sabías que...

Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE): es un conjunto de ambientes naturales, terrestres o acuáticos, que el Estado protege y maneja para lograr su conservación. El sistema está compuesto por Parques Nacionales, Reservas Nacionales y Monumentos Naturales. Parque Nacional: es un área generalmente extensa, donde existen diversos ambientes únicos o representativos de la diversidad ecológica natural del país, no alterados significativamente por la acción humana, capaces de autoperpetuarse. En los parques nacionales las especies de flora y fauna, y las formaciones geológicas, son de especial interés educativo, científico o recreativo. Ej: Parque nacional Pan de Azúcar, Atacama. Reserva Nacional: es un área cuyos recursos naturales es necesario conservar y utilizar con especial cuidado, por ser susceptibles de sufrir degradación o por su importancia en el resguardo del bienestar de la comunidad. Ej: Reserva nacional Río Clarillo, Región Metropolitana. Monumento Natural: es un área generalmente reducida, caracterizada por la presencia de especies nativas de flora y fauna o por la existencia de sitios geológicos relevantes desde el punto de vista escénico, cultural educativo o científico. Ej: Monumento natural Cueva del Milodón, Magallanes.

H C E P C 249


Organism� � ambient� CODEF impulsó en 1997 la Red de Áreas Protegidas Privadas (RAPP) en nuestro país, entidad que reúne a más de 100 miembros, que corresponden a particulares, fundaciones, ONG, inmobiliarias, universidades y otros organismos del sector privado, a lo largo del país, quienes realizan actividades de conservación en áreas silvestres de dominio privado, logrando hoy en día contar con 133 áreas silvestres y 386.571,5 ha bajo protección. Además esta iniciativa promueve el intercambio de experiencias y de información, capacitación y acceso a la asistencia técnica y legal. Con el principal objetivo que sus miembros cuenten con Planes de Manejo para áreas protegidas, protejan legalmente sus predios y obtengan incentivos que fortalezcan, estimulen y fomenten la conservación de áreas silvestres. CODEFF da apoyo técnico para la planificación de áreas silvestres protegidas, líneas base de flora y fauna, planes de manejo, monitoreo, educación, ecoturismo, manejo sustentable de bosque, entre otros. Entre las áreas protegidas de CODEFF, se encuentra la reserva Río Claro de la Región de Aysén, ésta es un área Silvestre Protegida de 500 has, manejadas conjuntamente con la Corporación Nacional Forestal, CONAF. Fue adquirida por CODEFF, en 1991, con fondos de la Sociedad Zoológica de Frankfurt. Está ubicada en la Provincia y Comuna de Coyhaique, distante a 16 km. de la ciudad de Coyhaique, en dirección sur-oeste, colinda con el Parque Nacional Río Simpson, perteneciente al Sistema Nacional de Areas Silvestres Protegidas del Estado, SNASPE. Su importancia se relaciona con la protección y conser vación del hábitat de huemules, bosque nativo mixto coigüe-lenga y numerosas especies en peligro de extinción. CODEFF también participa de un plan para la Conservación del Huemul del Sur, elaborado por CONAF y CODEFF, que se lleva acabo gracias a la cooperación de muchas personas e instituciones, su finalidad es establecer corredores biológicos y zonas de amortiguamiento para permitir la intercomunicación entre sectores de vida silvestre separados físicamente, estos puntos serian el sector de Nevados de Chillán y Laguna de La Laja, de más de 500.000 ha. Como último ejemplo de la actividad de CODEFF, mencionaremos su Centro de Rehabilitación de Fauna Silvestre, CRFS, que fue creado en 1992, para tener un lugar físico en donde albergar y rehabilitar animales silvestres heridos, entregados o decomisados por las autoridades pertinentes según la ley de caza, para luego liberarlos en su hábitat natural. Se ubica en el Sector del Cajón del Maipo, alrededor de 30 km. de Santiago, anualmente atiende un promedio de 100 individuos, entre ellos loros, zorros, felinos, pudúes, quiques, culebras y otros reptiles. Una vez lograda su rehabilitación, es decir, que están aptos para volver a sus ambientes, se mantienen en jaulas de preliberación y finalmente son liberados en áreas silvestres protegidas, en coordinación con SAG y CONAF.

Sabías que...

En conjunto, los Parques y Reservas Nacionales más los Monumentos Naturales representan una superficie de 14.123.571 hectáreas, lo que equivale al 19% del territorio nacional (continental e insular).

H C E P C 250

Categoría de manejo

N° unidades

SUPERFICIE (ha)

PARQUES NACIONALES RESERVAS NACIONALES MONUMENTOS NATURALES TOTAL SISTEMA

31

8.718.260

48

5.389.432

15

17.879

94

14.125.271

Ciencia� Pla� Electiv� - Biologí� 5.2 Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental (SEIA). Partes constituyentes del SEIA a. Nociones de Evaluación de Impacto Ambiental

La presente información está basada en el Manual de Evaluación de Impacto Ambiental, CONAMA,

1994.

La protección ambiental, está enfocada a un desarrollo sustentable, que promueve la conservación d e recursos naturales como la tierra, el agua y los recursos genéticos, pero a la vez, su uso técnicamente apropiado, económicamente viable y socialmente aceptable, que permita satisfacer las necesidades crecientes de la población y lograr el desarrollo requerido de un país. Si bien es cierto parece ser que el crecimiento económico y la protección del ambiente son antagónicos, con buenos planes de manejo ambiental y leyes que los limiten pueden ser aspectos complementarios. De fracasar esta complementariedad los efectos adversos pueden ser desastrosos, pero si se logra un justo equilibrio y si las políticas e instituciones son eficaces los efectos adversos se pueden reducir en forma pronunciada, y conseguir un aumento de los ingresos proporcional a los recursos que se requieren para una mejor protección ambiental. Por esto es tan importante la evaluación de impacto ambiental, puesto que constituye una de las herramientas de protección ambiental, apoyada por una institucionalidad acorde a las necesidades de los distintos países, fortalece la toma de decisiones a nivel de políticas, planes, programas y proyectos.

b. Marco conceptual del proceso de evaluación de impacto ambiental

La evaluación de impacto ambiental, se entiende como un proceso de análisis que anticipa los futuros impactos ambientales negativos y positivos de acciones humanas permitiendo seleccionar las alternativas que, cumpliendo con los objetivos propuestos, maximicen los beneficios y disminuyan los impactos no deseados. Esta evaluación puede ser llevada a cabo no tan solo para proyectos de grandes inversiones, tales como embalses, carreteras y plantas de energía, sino que también a actividades de desarrollo que involucren planes y programas de ordenamiento territorial, políticas y alternativas de acción. También es necesario evaluar los impactos de las acciones de desarrollo de mayor nivel, como es el caso de planes, programas y políticas.

c. Características del proceso de evaluación de impacto ambiental en el marco de la toma de decisiones

Un proceso de evaluación de impacto ambiental debe ser diseñado para compatibilizar la protección ambiental y la ejecución de actividades humanas con el propósito de no deteriorar la calidad de vida de la población, permitir un uso sostenido de los recursos naturales y, al mismo tiempo, no constituir un impedimento o traba de acciones que contribuyan al desarrollo de un país. Obviamente dicho proceso debe estar sustentado por una ley y/o reglamento jurídico. El reglamento jurídico debe establecer procedimientos administrativos únicos que establezcan las formas de llevar a cabo el proceso, los roles y responsabilidades institucionales involucradas, la coordinación de actividades, los plazos límites para llevarlo a cabo y las formas de participación ciudadana, entre otras. De tal forma un proceso de evaluación de impacto ambiental debe incluir una serie de características que 1o hacen intrínsecamente una herramienta objetiva, eficaz e integral, en cuanto a lograr u n análisis interdisciplinario de una acción determinada.

H C E P C 251



Entre estas características debemos mencionar que debe permitir establecer un conocimiento técnicocientífico amplio e integrado de los impactos e incidencias ambientales de acciones humanas; debe identificar anticipadamente los efectos ambientales negativos y positivos de acciones humanas y diseñar en forma oportuna acciones que minimicen los efectos ambientales negativos y que maximicen los efectos positivos; debe permitir a la autoridad tomar decisiones de aprobación, rechazo o rectificación con pleno conocimiento de los efectos negativos y positivos que implica una acción humana; debe permitir a la autoridad ejercer un debido control sobre la dimensión ambiental de las acciones, a fin de garantizar que ellas no perjudiquen el bienestar y salud de la población y finalmente lograr la participación coordinada de los distintos actores involucrados.

d. Ventajas del proceso de evaluación de impacto ambiental Las ventajas de realizar un proceso de impacto ambiental, y que lo concibe como un instrumento apropiado para lograr una adecuada protección ambiental, son permitir la previsión de los impactos negativos y positivos de una acción sobre la población y el medioambiente, permitir el conocimiento o entendimiento de los principales acción humana para lograr una comprensión profunda y extensa en una determinada localización, permite la racionalización de la toma de decisiones, ya que se orienta a la definición de un curso de acción futuro para resolver problemas, satisfacer necesidades y aprovechar oportunidades de un determinado sistema territorial; permite la coordinación adecuada, puesto que conocer los impactos ambientales de una acción permite una interacción multidisciplinaria que requiere de una coordinación intersectorial para abordarlos desde un punto de vista global; permite la eficiencia del uso de los recursos públicos y privados, por cuanto se analizan las alternativas de acción que evitan o disminuyan impactos en el medio ambiente, reduciendo la necesidad de destinar recursos en acciones correctivas posteriores y permite la participación ciudadana y búsqueda de consenso ya que a través de su incorporación en un proceso de evaluación de impacto ambiental la comunidad se interioriza sobre los impactos, tanto ambientales como socioeconómicos y culturales, de una determinada acción, evitando los de carácter negativos sobre su entorno inmediato y conflictos posteriores.

e. Acciones que requieren de un Estudio de Impacto Ambiental En general, requieren un estudio de impacto ambiental, actividades o proyectos que por su tamaño, localización, proceso productivo, emisiones al aire, agua y suelo, incidencia sobre los recursos naturales, efectos ambientales entre otros, pueden causar impactos en el bienestar de la población humana o en su entorno, o que afecten los recursos naturales y el funcionamiento de los ecosistemas. Ejemplos de algunas de las actividades o proyectos recurrentemente evaluados son: La agricultura,con sus planes de ordenación rural; proyectos de regadío agrícola; actividades forestales, incluidas forestaciones, reforestaciones y explotaciones; actividades de producción animal aves, cerdos, bovinos, etc; recuperación de tierras del mar; etc. La industria extractiva, con sus perforaciones en profundidad, geotérmicos, para el almacenamiento de residuos nucleares y para abastecimiento de agua; extracción e instalaciones para procesamiento de turba, carbón, petróleo, gas, minerales metálicos y no metálicos, fábricas de cemento; etc.

H C E P C 252

La industria energética, con sus instalaciones industriales para la producción y transporte de energía eléctrica, instalaciones para almacenar combustibles; aglomeración industrial de carbón; enriquecimiento y reelaboración de combustibles residuos radioactivos; etc.



1.

Biodiversidad: v ariedad de especies presentes en un ecosistema determinado con sus características genéticas.

2.

Capa de ozono: es una zona de la estratosfera terrestre que contiene alta concentración de gas ozono, la función de esta capa es absorber la radiación ultravioleta proveniente del sol.

3.

Clorofluorocarbonos: son un grupo de compuestos que contienen cloro, flúor y carbono, se utilizan en refrigeración y aerosoles. Los clorofluorocarbonos destruyen la capa de ozono.

4.

Erosión: es la degradación y transporte de suelo y roca producido por distintos agentes, como el agua, hielo, viento o cambios climáticos a nivel de la superficie de la Tierra.

5.

Eutrofización: es el enriquecimiento nutritivo de los ecosistemas, especialmente hace referencia a ecosistemas acuáticos, en donde las aguas se nutres de compuestos nitrogenados o fosfatados provocando una sobrepoblación de organismos de vida corta, los cuales aprovechan estos nutrientes y al mismo tiempo consumen oxigeno del agua de forma exagerada, lo que provoca la muerte de otras especies.

6.

Metano: es un hidrocarburo sencillo que actúa como gas de efecto invernadero en la atmosfera.

7.

Pesticida: sustancias químicas para controlar o combatir organismos considerados plaga.

8.

Población: grupo de organismos de la misma especie que potencialmente pueden interactuar y entrecruzarse, además viven en un mismo tiempo y lugar. Una población esta reproductivamente aislada de otros grupos semejantes.

9.

Polución: es la contaminación intensa del agua o del aire, producida por residuos de industrias o biológicos.

H C E P C 253

8


� l u t í p a C O r g a n i s m o

E s p e c i e

d e A m u o m g r e á n f t i c o o

P r o t e c c i ó b n i o y d c i v o e n r s s e i r d v a a d c i ó n d e l a

H C E P C 254

E u t r o f i c a c i ó n D E f e e L c s L t t o u r v d u i c i a e c n v ó e á O i r n n c i d c a a d a p e r a o 3

D e f o r e s t a c i ó n

a f e c t a

A g u a

A i r e

V i d a s i l v e s t r e

C o n t a m i n a c i ó n

P o b l a c i ó n

P m o u b n l d a c i a i ó l n

C o m u n i d a d

E c o s i s t e m a

B i o s f e r a



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Zoología. 6a Edición. Cockrum Mc Cauley

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Libro-Biología-Plan-Electivo-2016.pdf

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