Vázquez Vázquez
Estimado(a) estudiante: Cuando tienes un libro en tus manos, como éste, la primera percepción es que vas a aprender a través de él, y es cierto. Pero, ¿qué más puede pasar? Cada texto nos permite vislumbrar un modo de ver la vida, una corriente de pensamiento, un lugar y un espacio donde sucedieron los hechos... El descubrimiento de la penicilina, la Segunda Guerra Mundial, la creación de La Ilíada o la teoría de la evolución están enmarcados por un contexto y ocurrieron porque personas de carne y hueso intervinieron para que ocurrieran. Ni la escritura ni la lectura son parte de la historia de la humanidad desde el principio de sus tiempos. En especial, el origen de la lectura en el mundo occidental se sitúa alrededor del siglo V a.C.; parece ser que en aquellos años algunos griegos practicaban la lectura silenciosa y, con mucha probabilidad, de textos sin separación de palabras. La lectura se hacía en una tablilla y era además, un privilegio. Veinticinco siglos después, la lectura es una práctica común, mayoritaria, que se puede hacer en voz alta o en silencio y para la que existen dos medios fundamentales: impreso o digital. Sin embargo, que el acto de leer sea cotidiano no quiere decir que siempre sea el mismo. Cada mensaje, cada texto, tiene una función y cada lector tiene una intención para leer. La lectura, como un propósito o fin formativo, es de sumo interés para nosotros; para mí, para tus profesores y para todos aquellos que de algún modo están relacionados con tu preparación académica y personal. Por esos es que aprovecho este espacio para platicarlo contigo. A través de estas palabras quiero pedirte que reflexiones sobre lo siguiente: ¿qué es leer?, ¿para qué lees?, ¿qué sentido tiene leer? Entre otras, estas preguntas han sido motor para el estudio y para el análisis de expertos. Leer es, ante todo, un encuentro entre el lector y el texto. Es un diálogo entre el lector y el autor. Cada libro al leerlo nos cuenta algo. Particularmente, éste que ahora tienes en tus manos abre las puertas al conocimiento, sin duda, pero también a la historia, que no es otra sino la referencia al recorrido humano a través de los años. ¿Imaginas cómo era aquél científico, investigador, médico, filósofo cuyos hallazgos y conocimientos estás aprendiendo? ¿Cómo sería Leonardo da Vinci?, ¿qué pensaban Sócrates y Aristóteles?, ¿cómo era la vida en tiempos de uno y otros? Por supuesto, las respuestas no están en un solo libro, sino en muchos. Y como lectores, nuestro quehacer fundamental es descubrirlo. Poco a poco, cuando leemos construimos significados y es entonces cuando se completa el círculo dialógico. Hay un libro, Farenheit 451, que narra la historia de Montag, un bombero que se dedicaba no a apagar incendios, sino a provocarlos. Quemaba libros, ni más ni menos. Pero se dio cuenta de que en ellos estaba no solo la historia de la vida, sino la posibilidad misma de vivir. Y la revelación para él ocurrió al leer algunos textos que salvó del fuego. Ahora que recibiste tus nuevos libros te invito a develar lo que hay tras el telón de cada uno de ellos. Dentro de cada cubierta hay un escenario, el de lo que vas a aprender de manera específica, pero hay otros escenarios posibles, que son aquellos que se harán visibles en la medida en que le hagas preguntas al texto y encuentres respuestas. Aunque también puede ser que surjan dudas nuevas y eso será extraordinario. Alejandro Carretero Carretero Director General
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Edición especial para SABES GUANAJUATO
Rosalino Vázquez Conde Rosalino Vázquez López
PRIMERA EDICIÓN MÉXICO, 2017
Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo Diagramación: Perla Alejandra López Romo Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís Supervisor de producción editorial: Miguel Ángel Morales Verdugo Ilustraciones: José Luis Mendoza Monroy, Perla Alejandra López Romo, Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López Hacemos un reconocimiento especial a las siguientes personas e instituciones por el permiso de reproducción de imágenes: Michael Peres, Biomedical Photographic Communications; Cecilia Koenig, Universidad Católica de Chile; Mark Bear, Professor of Neuroscience; University of UTA Hospital. Temas Selectos de Biología Edición especial para Sabes GUANAJUATO E-book Derechos reservados: ©2017, Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López ©2017, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. de C.V. Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal. 02400, Ciudad de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43 ISBN: 978-607-744-499-2 (Primera edición E-book) Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México Printed in Mexico Primera edición 2017
TABLA DE CONTENIDO Presentación ................................................................................................................. Competencias genéricas ................................................................................................ Competencias disciplinares ........................................................................................... Competencias disciplinares extendidas ........................................................................
IV 1 1 1
BLOQUE 1. LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES .................
2
1. 2. 3. 4. 5. 6.
La biología actual en el mundo y en México ................................................. La tecnología al servicio de la ciencia .......................................................... Diseño de una investigación científica ......................................................... Procesos de transporte a través de la membrana ........................................... Procesos de comunicación celular ................................................................. Proceso de diferenciación celular ..................................................................
5 9 13 15 22 25
BLOQUE 2. BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO .......
40
1. 2. 3. 4. 5.
Respuesta inmune y defensas ........................................................................ Enzimas ......................................................................................................... Ácidos nucleicos ............................................................................................ Biotecnología ................................................................................................. Biodiversidad ................................................................................................
BLOQUE 3. BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
43 60 66 83 96 112
Origen de las plantas ..................................................................................... Transporte y nutrición................................................................................... Reproducción................................................................................................. Coordinación celular ..................................................................................... Plantas medicinales ....................................................................................... Características de los hongos ........................................................................ Evolución de los animales ............................................................................. Características básicas de los principales grupos de animales...................... Importancia ecológica y socioeconómica de los animales ............................. Tipos de conducta de los animales ................................................................ Respuestas al ambiente ................................................................................. Sociobiología ................................................................................................. Especies en peligro ........................................................................................
115 118 127 132 137 138 141 152 165 169 172 175 180
Glosario ......................................................................................................................... Bibliografía .................................................................................................................... Páginas de Internet ........................................................................................................
192 202 203
III
PRESENTACIÓN En Temas Selectos de Biología los autores buscamos exponer de forma clara y accesible actualizados tópicos de alta relevancia en el mundo de las ciencias biológicas, con el fin de que el alumno de bachillerato refuerce sus conocimientos básicos de esta ciencia y los amplíe con nuevos temas para que se vaya adentrando a la antesala del terreno profesional. Los temas son abordados de una manera analíticamente sencilla, partiendo desde lo más elemental hasta llevar al alumno a un nivel de profundización más alto. Dichos temas coinciden con el programa del bachillerato general, organizados con los lineamientos del actual enfoque pedagógico por competencias, que no sólo pretende propiciar la participación activa del alumno en la construcción de los conocimientos, sino saberlos aplicar en los casos y momentos apropiados, es decir, motivar a los estudiantes a desarrollar la capacidad de resolución de problemas de la vida cotidiana. La unidad de aprendizaje se encuentra organizada en los siguientes tres bloques: Bloque 1. La biología actual y los procesos celulares. Uno de los planteamientos que surgen al estudiar la serie de avances tecnológicos y científicos que ha tenido la humanidad es ¿de qué forma ha influido la ciencia y la tecnología en nuestro quehacer cotidiano? Es por eso que en este bloque primero se abordan los diversos avances en el área de las ciencias biológicas a nivel mundial, nacional y regional, y después los procesos celulares, partiendo del estudio de los procesos membranales de transporte para llegar a comprender más de cerca el mecanismo de transmisión del impulso nervioso, así como la diferenciación y especialización celulares. Bloque 2. Biología molecular y la biodiversidad en México. Existen grandes áreas científicas que han tomado gran importancia en los últimos años, y que representan un nicho de inversión por parte de la industria farmacéutica, universidades y del gobierno, y en consecuencia, oportunidades de desarrollo profesional a futuro para el alumno. Dentro de éstas se encuentran el desarrollo de nuevas vacunas, la investigación en enzimas, las ciencias genómicas y la biotecnología, entre otras. Por tal motivo, el presente bloque abarca temas relacionados con la respuesta inmune, vacunas, trasplantes, la estructura de las enzimas, su función y sus diferentes tipos, la estructura del ADN y ARN, los sistemas de control de expresión y su empleo en la biotecnología. Asimismo, se analiza un panorama general de la biodiversidad mexicana, se pide a los alumnos que describan la riqueza biológica de su región, identifiquen su importancia ecológica y económica y propongan las medidas necesarias para su conservación. Bloque 3. Biología de plantas, hongos y animales, y la etología. Se aborda con mayor detalle la evolución, fisiología, reproducción y respuesta al ambiente de estos organismos. Se hace referencia a las plantas medicinales y se proponen cultivos hidropónicos. Se analizan los diversos grupos de animales; se comparan sus sistemas digestivos, respiratorios, excretores y reproductores, así como su importancia ecológica y socioeconómica, y finalmente se estudia el comportamiento animal, el tema de las especies en peligro de extinción y las perspectivas de solución. Las diversas secciones del libro (Evaluaciones, Actividades experimentales, La biología y tu comunidad, entre otras) contienen importantes propuestas que contribuyen a reforzar los conocimientos del alumno, al mismo tiempo amplían su panorama respecto a la investigación científica en el área de las ciencias biológicas. Los autores deseamos que la presente obra sea un poderoso auxiliar para el profesor en su importante labor docente, y que en ella el alumno encuentre el material necesario para su proceso de aprendizaje. IV
COMPETENCIAS
COMPETENCIAS GENÉRICAS: 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue.
5. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.
2. Elige y practica estilos de vida saludable.
6. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.
3. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiadas.
7. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.
4. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos.
1
Bloques 2
3
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Bloques 2
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2. Construye e interpreta modelos matemáticos mediante la aplicación de procedimientos algebraicos, geométricos, trigonométricos y/o variacionales, para la comprensión y análisis de problemas y situaciones de su entorno.
4. Analiza las relaciones entre dos o más variables de un proceso o fenómeno natural para determinar o estimar su comportamiento.
6. Soluciona problemas hipotéticos o reales que impliquen fenómenos naturales, utilizando el modelado matemático y los saberes de las ciencias experimentales, para la comprensión y mejora de su entorno.
Competencias disciplinares
2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a la pregunta de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. 12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.
Competencias disciplinares extendidas
1
La biología actual y los procesos celulares Sesiones asignadas:
BLOQUE Objetos de aprendizaje
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1
1. La biología actual en el mundo y en México 2. La tecnología al servicio de la ciencia 3. Diseño de una investigación científica 4. Procesos de transporte a través de la membrana 5. Procesos de comunicación celular 6. Proceso de diferenciación celular
Atributos de las competencias 1.1 Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.
5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.
4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas.
5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.
4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.
5.5 Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.
5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.
6.4 Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.
Competencias
En contacto con tus conocimientos
Explica los avances de la ciencia de la Biología y los procesos celulares, a través del estudio descriptivo y funcional de la célula, y su interrelación con la vida cotidiana promoviendo una actitud de cooperación, participación y respeto a la vida.
Contesta en forma breve las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál fue el descubrimiento que le dio mayor impulso a la biología en la segunda mitad del siglo XX? 2. ¿Cuáles son las instituciones de investigación biológica en nuestro país? 3. ¿Qué importancia tiene el microscopio compuesto para el estudio de la biología? 4. ¿Qué utilidad le has hallado a la computadora para tus estudios de biología? 5. ¿Cuáles son los instrumentos que más se usan en el laboratorio de biología y para qué sirven? 6. ¿Qué avance biotecnológico has observado en tu región? Descríbelo. 7. ¿Cuáles son los mecanismos de transporte pasivo? Cita ejemplos. 8. ¿Cuáles son las características del transporte activo? Cita un ejemplo. 9. ¿En qué consiste la sinapsis? 10. ¿Cuáles son las capas germinales que se originan durante el desarrollo embrionario de los animales triblásticos?
7.3 Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Situación didáctica
¿Cómo lo resolverías?
¿A qué se debió el extraordinario impulso de la biología en la segunda mitad del siglo xx? Al contemplar la gran variedad de plantas y animales que habitan en el medio natural nos preguntamos ¿de dónde surgieron?, ¿serán los mismos que poblaron la Tierra desde un principio?, ¿de qué están formados?, ¿qué funciones realizan para sobrevivir?, ¿cómo se reproducen?, ¿habrá alguna relación entre ellos y nosotros?; seguramente estas mismas inquietudes habrán surgido en la mente de nuestros antepasados por conocer y comprender los fenómenos naturales que los llevaron a descubrir los primeros conocimientos biológicos. En un principio habrán sido conocimientos empíricos, basados sólo en la
Secuencia didáctica
observación y la experiencia, más tarde, en las primeras etapas de su organización como ciencia, la biología tuvo un carácter predominantemente descriptivo, utilizado en las primeras clasificaciones de los organismos. Aunque posteriormente se aportaron importantes descubrimientos al desarrollo de esta ciencia como la construcción del microscopio compuesto que permitió el descubrimiento de la célula y la formulación de la teoría celular, no fue sino hasta en la segunda mitad del siglo XX cuando la biotecnología moderna impulsa el desarrollo de la biología.
¿Qué tienes que hacer?
Para poder contestar la pregunta de la situación didáctica realiza las siguientes actividades De manera individual investiga: 1. ¿Qué diferencia hay entre la biología como ciencia pura y como ciencia aplicada? 2. ¿De qué manera ha beneficiado a la humanidad la biotecnología contemporánea al lograr aislar y manipular el material genético? 3. ¿Cuál fue el descubrimiento que le dio mayor impulso a la biología en 1953? Explica su estructura y su función. 4. ¿Qué utilidad tienen las células madres? 5. ¿Qué diferencias hay entre transporte pasivo y activo de la célula? Explica y cita ejemplos. Intégrate a tu equipo e investiguen lo siguiente: 1. La biología actual en México y en el mundo.
4. Procesos de transporte a través de la membrana.
2. La tecnología al servicio de la ciencia.
5. Procesos de comunicación celular.
3. Diseño de una investigación científica.
6. Procesos de diferenciación celular.
Rúbrica
¿Cómo sabes que lo hiciste bien?
Para saber si adquiriste los conocimientos del bloque realiza lo siguiente: 1. Bajo la dirección de tu profesor organicen un debate sobre los siguientes temas del bloque: Avances de la biología en los siglos xx y XXI.
La tecnología al servicio de la ciencia.
2. Siguiendo los pasos del método experimental y empleando un ejemplo, diseña una investigación científica y da a conocer tu material mediante una exposición grupal. 3. Utilizando material gráfico (dibujos o fotografías), elabora un periódico mural donde describas: El transporte pasivo y activo de la célula. La transmisión del impulso nervioso. Las capas germinales del embrión animal. 4
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES
1. LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICO Antecedentes históricos y avances de la biologia del siglo XX y XXI Durante el siglo XX, la biología tuvo un extraordinario desarrollo, gran parte de ello se debió al enfoque interdisciplinario e integrador que adquirió esta ciencia al auxiliarse de otras disciplinas como la fisiología, la genética, las matemáticas y en especial de la química y la física, de cuyo apoyo resultaría la biología molecular, que tuvo un impresionante avance durante este periodo. Las principales aportaciones científicas de la biología en el siglo XX fueron: En 1900, el holandés Hugo de Vries, el alemán Carl Correns y el austriaco Erich Tschermak, redescubrieron en forma independiente el artículo olvidado de Gregor Mendel, sobre los mecanismos de la herencia (experimentada con plantas de chícharo), publicado en 1865 y que coincidía con los descubrimientos que habían obtenido (fig. 1.1).
Figura 1.1
Gregor Mendel estableció las leyes fundamentales de la herencia.
En los primeros años del siglo XX, el fisiólogo ruso Ivan Pavlov realizó importantes estudios sobre aprendizaje asociativo a través de sus experimentos de condicionamiento clásico, con los cuales descubrió que al alimentar a un perro al mismo tiempo que hacía sonar una campana, éste producía saliva con sólo escuchar el sonido, ya que llegó a relacionar el alimento con la campana (fig. 1.2). En 1902, Walter S. Sutton señaló la relación que había entre la segregación de los factores hereditarios, propuesta por Mendel, con la separación de los cromosomas homólogos de la meiosis. En 1905, Edmund B. Wilson y Nettie M. Stevens identificaron en insectos los cromosomas X y Y. En 1910, Thomas Hunt Morgan, al experimentar con la mosca Drosophila melanogaster, descubrió que algunos caracteres ligados al sexo se heredan, y concluyó que la información hereditaria se localiza en los cromosomas al demostrar que los caracteres ligados al sexo se encuentran en el mismo cromosoma. En 1933 recibió el premio Nobel de fisiología por demostrar que la información hereditaria se transporta en los cromosomas (fig. 1.3).
Figura 1.2
Experimento de Pavlov por el cual condicionó al perro a asociar el alimento con el sonido de una campana.
En 1924, el bioquímico ruso Alexander I. Oparin propuso su teoría sobre el origen abiótico de la vida, a partir de la materia orgánica del medio acuático sintetizada de los compuestos de la atmósfera secundaria de la Tierra. En 1928, el bacteriólogo escocés Alexander Fleming descubrió, en forma accidental, la penicilina. Cierto día de ese año Fleming encontró que su cultivo de bacterias estafilococos (Staphylococcus aureus) se había contaminado con hongo Penicillium notatum. Observó que las bacterias no habían crecido alrededor del hongo, lo que le hizo suponer que posiblemente el hongo liberaba alguna sustancia que inhibía el crecimiento de las bacterias. Después comprobó su hipótesis y del extracto que se obtuvo de este hongo se fabricó la penicilina, antibiótico que se emplea para combatir infecciones de origen bacteriano. En 1928, el bacteriólogo inglés Frederick Griffith descubrió el principio transformante por el cual las cepas no virulentas de Streptococus pneumoniae pueden cambiar a cepas 5
Figura 1.3
Thomas Hunt Morgan realizó experimentos con la mosca de la fruta o Drosophila melanogaster y comprobó que la información hereditaria se encuentra en los cromosomas.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA virulentas, lo que en 1944 quedó demostrado con la identificación del ADN (ácido desoxirribonucleico) como la molécula que transmite la información hereditaria por medio de los análisis químicos realizados por Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty. En 1937, Hans Adolf Krebs descubrió el ciclo del ácido cítrico, por medio del cual los grupos acetilo se degradan a bióxido de carbono y agua durante la respiración celular aerobia, con liberación de energía que puede ser utilizada para producir ATP (adenosín trifosfato). En su honor se conoce al ciclo como Krebs.
Figura 1.4
Difracción de rayos X del ADN obtenida por Franklin y Wilkins.
En 1941, George W. Beadle y Edward L. Tatum encontraron que un gen particular daba instrucciones para la producción de una determinada enzima. En su trabajo emplearon el moho rojo del pan Neurospora crassa y comprobaron que las cepas que no podían crecer en un medio de cultivo simple eran mutantes nutricionales, con un gen defectuoso que les impedía tener una vía metabólica para producir un aminoácido. Con base en los resultados que obtuvieron elaboraron su hipótesis un gen una enzima. La hipótesis de estos genetistas estadounidenses no sólo ha sido aceptada, sino ampliada, ya que trabajos experimentales posteriores demostraron que el gen no sólo sintetiza enzimas, sino otros tipos de proteínas, que se forman de dos o más cadenas de polipéptidos, cada una de éstas la especifica un gen. Además, algunos genes determinan también la síntesis de moléculas de ácidos ribonucleicos (ARN). Por sus trabajos, Beadle y Tatum recibieron el premio Nobel de fisiología en 1958. En 1950, Erwin Chargaff descubrió que en el ADN de los organismos de una especie la cantidad de adenina es igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es igual a la de citosina. Esto se explica porque en las dos cadenas de nucleótidos del ADN, la adenina va unida siempre a la timina y la guanina a la citosina. En aquella época aún se desconocía la estructura del ADN. En 1952, Alfred Day Hershey y Martha Chase experimentaron con virus que infectan las bacterias (bacteriófagos) para demostrar que era el ADN del virus el que permitía la reproducción de nuevos virus dentro de las bacterias infectadas. Esto indica que el ADN es el sopote de la herencia. Plenamente convencidos de que era el ADN la molécula portadora de la herencia biológica, los investigadores se dieron a la tarea de aclarar su estructura tridimensional. En ésta participaron Linus C. Pauling y sus colaboradores, quienes en 1951 habían diseñado la estructura tridimensional de hélice alfa de algunas proteínas, en la que las cadenas de aminoácidos se hallan dispuestas en forma de hélice, sostenidas por puentes de hidrógeno entre los giros de la hélice. Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, en el King’s College de Londres, aplicaron en 1951 la técnica de difracción de rayos X en la investigación de la estructura del ADN. La imagen obtenida reflejaba que la molécula tenía giros de una gigantesca hélice (fig. 1.4). En 1953, con la información que ya se tenía, James D. Watson y Francis C. Crick dedujeron el modelo tridimensional del ADN. Se trata de una doble cadena de nucleótidos en forma de hélice. Su aspecto se asemeja a una escalera de caracol, en la cual los pasamanos están formados por moléculas de desoxirribosa y fósforo, y los peldaños por bases nitrogenadas. Las bases de una cadena se sostienen por enlaces de hidrógeno con las bases de la cadena opuesta (fig. 1.5).
Figura 1.5
Doble cadena de nucleótidos del ADN.
En las dos cadenas de polinucleótidos enfrentadas, las bases quedan hacia el interior y la cadena de azúcar (desoxirribosa) y fosfato hacia el exterior. Ambas cadenas son
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES complementarias, de tal manera que la adenina se une a la timina por dos enlaces de hidrógeno, en tanto que la guanina se empareja con la citosina por tres enlaces de hidrógeno. La doble hélice da una vuelta completa en el espacio cada 34 ángstrom (Å) (3.4 nanómetros), en esa vuelta caben 10 pares de bases. En la hélice la distancia entre un nucleótido y otro es de 3.4 Å (0.34 nm). Las dos cadenas son antiparalelas, porque mientras una se orienta en dirección 5’n3’, la complementaria lo hace en dirección 3n5’. Watson, Crick y Wilkins compartieron el premio Nobel de fisiología en 1962 (fig. 1.6). La química de los ácidos nucleicos conocida como dogma central de la biología molecular se interpretó en esa época de la siguiente manera: a) El ADN conserva la información genética por medio de su misma replicación. b) El ADN transmite la información genética por transcripción al ARN. c) El ARN realiza la síntesis de proteínas por medio de la traducción del mensaje. En 1955, Arthur Kornberg aisló y purificó la enzima ADN polimerasa de la bacteria Escherichia coli. Esta enzima es la encargada de sintetizar la molécula de ADN, es decir, la que hace posible su replicación. A principios de la década de 1960, Howard M. Temin detectó la existencia de la transcripción inversa en ciertos virus. En 1970, Howard M. Temin y David Baltimore, en forma separada, aislaron la enzima transcriptasa inversa que, contrariamente a como se realiza de manera cotidiana, hace posible la síntesis de ADN dirigida por ARN en los retrovirus como el VIH del SIDA. Por este descubrimiento en 1975 compartieron con Renato Dulbecco el premio Nobel de fisiología. En 1966, Har Gobind Khorana, Marshall Warren Nirenberg y Heinrich Matthaei descifraron el lenguaje del código genético, al descubrir que los veinte aminoácidos eran codificados por el ADN por medio de tripletes de bases llamados codones. En 1970, Kent Wilcox y Hamilton Smith descubrieron en la bacteria Haemophilus influenzae la primera enzima de restricción que corta el ADN en sitios específicos. En 1972, Paul Berg, al emplear una enzima de restricción, cortó el ADN y, al utilizar la ADN ligasa, enzima que suelda las moléculas del ácido nucleico, unió dos segmentos de ADN de especies distintas en un plásmido (pequeña molécula circular de ADN de las bacterias). Con ello se produjo la primera molécula de ADN recombinante y se iniciaron trabajos de la ingeniería genética que ha permitido aislar y manipular el material hereditario. Después, los modelos experimentales se han empleado en la industria para obtener productos que benefician a la humanidad, lo que impulsa la biotecnología moderna. Por ejemplo, en 1978 los investigadores de Genentech y The City of Hope National Medical Center utilizaron bacterias para producir insulina humana mediante la tecnología del ADN recombinante. En 1985, Kary B. Mullis y sus colaboradores de la compañía Cetus dieron a conocer la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés), la cual permite amplificar (sacar muchas copias) un segmento de ADN en poco tiempo. A mediados de la década de 1980, un grupo de científicos iniciaron el Proyecto Genoma Humano (PGH), con el propósito de identificar todos los genes del ser humano. Objetivo logrado en febrero de 2001, cuando fueron publicadas con un alto porcentaje de confiabilidad, las secuencias definitivas del genoma humano. En 1996, en el Instituto Roslin, cerca de Edimburgo, nació Dolly, la primera oveja clonada a partir de una célula somática (de glándula mamaria).
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Figura 1.6
El modelo de ADN de Watson y Crick, construido con alambre y hojalata.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA La clonación de mamíferos ha abierto nuevas perspectivas a la biotecnoloía, a tal grado que se asevera que el siglo XXI será la era de los clones, ya que existen las posibilidades de diseñar y desarrollar los organismos con nuevas características y con propósitos de interés social o económico. Por una parte, a través del Proyecto Genoma Humano se ha podido precisar la ubicación de los genes, también ha revelado algunos polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) que nos da individualidad genética al definir los caracteres físicos de cada individuo y su susceptibilidad a determinadas enfermedades, lo que permitirá tomar las medidas preventivas para que éstas no se desarrollen.
Avances de la ciencia en México En los primeros años del siglo XX, la educación superior se circunscribía sólo a un reducido grupo social, que tenía un mayor poder económico. La escolaridad de los que tenían acceso a la educación elemental no superaba los cuatro años. Fue durante 1920 y 1930 cuando se establecieron las condiciones necesarias para el desarrollo científico y tecnológico, especialmente en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y en el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Por aquellos años ya se cursaban los estudios de ciencias biológicas en la UNAM, que ya contaba con su Instituto de Biología. En el IPN la carrera de biólogo que se imparte en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas fue creada en 1940. La inmigración española de 1939 y 1940 fue una importante contribución al desarrollo de la ciencia en México. Llegaron a nuestro país muchos científicos que no sólo participaron en la investigación, sino también en la formación de profesionales de la biología. Otro hecho importante que contribuyó al avance de esta ciencia en México fue la creación en 1970 del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), el cual impulsa y fortalece el desarrollo científico mediante la formación y sostenimiento de investigadores y temas afines. En la segunda mitad del siglo XX se incrementó el número de universidades y escuelas de educación superior en el país, en las que se cursa la carrera de biología. A finales del siglo ya funcionaban alrededor de cien instituciones que trabajaban sobre distintas líneas de investigación relacionadas con la biotecnología, así como en la formación de investigadores. Por ejemplo, los diferentes centros de investigación de la UNAM, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) del IPN, la Universidad Autónoma Metropolitana, los Institutos Tecnológicos Regionales y las Universidades de los estados de la República. A pesar del reducido presupuesto que el gobierno federal le destina a la investigación científica, destacados investigadores mexicanos han logrado poner muy en alto el nombre de nuestro país en el contexto internacional de la investigación científica, como lo demuestran los doctores Francisco Bolívar Zapata y Luis Herrera Estrella, quienes contribuyeron a la construcción de plantas transgénicas. En México se realizan enormes esfuerzos por participar en el desarrollo de la nueva ciencia genómica (referente al estudio de la totalidad de información genética de una célula o de un organismo). Por ejemplo, en el Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno (CIFN) de la UNAM, se obtiene y analiza la secuencia genómica de la bacteria Rhizobium etli, de acción muy importante en la agricultura, por la fijación que hace del nitrógeno cuando se aloja en los nódulos de la raíz de las leguminosas, mediante una relación simbiótica que establece con estas plantas y por la cual las leguminosas aseguran su suministro de nitrógeno, elemento indispensable en la síntesis de los ácidos nucleicos y de las proteínas. Otro importante proyecto de investigación es el que se realiza en el Cinvestav del IPN en Irapuato, Guanajuato, donde se lleva a cabo la secuenciación del genoma del maíz, cuyo objetivo es identificar genes de interesante acción en la agricultura. En el campo biomédico destaca el banco de cerebros para la investigación de Alzheimer y enfermedades neurodegenerativas fundado por el doctor Raúl Mena López en el Cinvestav de la Ciudad
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES de México. Además de ser el primero en su género en América Latina ha permitido desarrollar un modelo para experimentar curas para el Alzheimer a través de la proteína TAU.
2. LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DE LA CIENCIA Con el desarrollo de la biología molecular, a partir de 1950 se descubrió la estructura tridimensional de la molécula del ADN (ácido desoxirribonucleico) y los mecanismos por los cuales su información genética se traduce en proteínas. Investigaciones posteriores hicieron posible, a partir de la década de 1970, aislar y manipular el ADN, así como el diseño de las técnicas del ADN recombinante, lo que dio origen a la ingeniería genética, que facilita la creación de organismos transgénicos, en cuyas células se ha incorporado el ADN de otra especie con algún fin específico. Los conocimientos acerca del ADN, los mecanismos para su expresión en proteínas y la tecnología para aislarlo y manipularlo, han superado la biotecnología tradicional que se dedicaba a procesos de producción de bebidas y alimentos, o a la de variedades de plantas y animales por selección artificial, para entrar a la etapa de la biotecnología moderna que impulsa un desarrollo biológico multidisciplinario, es decir, con la participación de otras disciplinas científicas.
Antecedentes del invento del microscopio El microscopio es el instrumento que se emplea para el estudio de objetos muy pequeños que no pueden ser observados a simple vista. El avance de la microscopia ha contribuido al desarrollo de las investigaciones biológicas.
Evaluación formativa 1. Analiza los diferentes descubrimientos biológicos que se realizaron durante el siglo XX, describe cuáles han sido sus aportaciones y cómo en la actualidad se siguen viendo o manifestando sus beneficios. Menciona al menos cinco ejemplos de la vida cotidiana que se relacionen con el tema y que sean de la vida cotidiana. 2. Investiga los recientes avances de la biología en México y en el mundo; compara los alcances que se han tenido en cada caso. Elabora un reporte en el que cites las principales características de cada uno, mencionando en ejemplos reales las mejoras que se han dado en la vida del ser humano a raíz de dichos avances.
A mediados del siglo XVII, Robert Hooke, empleando un microscopio que posiblemente él había fabricado, observó minúsculas cavidades geométricas de cortes delgados de corcho, las que llamó células (fig. 1.7). Saber que el contenido de esas diminutas cavidades era la parte más importante de la estructura se logró mucho tiempo después. A finales de 1600, Anton van Leeuwenhoek, un tendero danés, con una lupa de muy buena calidad óptica (cercana a 300 aumentos) que él pulió, pudo observar bacterias, protistas y espermatozoides (fig. 1.8). Durante los siglos XVII y XVIII el microscopio se fue perfeccionando, y fue hasta principios del siglo XIX cuando se dispuso de buenos microscopios ópticos que facilitaron a los biólogos el estudio de la célula, iniciándose así la biología celular.
Tipos de microscopios Microscopio óptico El microscopio óptico (fig. 1.9), que es el más usual en las escuelas, está formado esencialmente de un tubo que dispone de lentes de aumento en ambos extremos (por esta característica de contener varios lentes, con frecuencia también se le llama microscopio compuesto). Su parte óptica la forman el sistema de lentes llamado objetivo, que queda más cerca del objeto de observación, y el sistema de lentes denominado ocular, situado más cerca del ojo del observador. El aumento total de lo que se observa se determina por el producto que resulta de multiplicar el aumento de la lente del objetivo por la del ocular. 9
Figura 1.7
El microscopio compuesto de Robert Hooke.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA El microscopio óptico emplea luz visible que, proyectada a través de la lente objetivo, llega al espécimen observado y lo atraviesa (luz transmitida), aumentando su imagen, ésta se proyecta dentro del ojo o de la cámara fotográfica integrada al microscopio, cuando se desea tomar una micrografía.
Microscopio electrónico El uso de este tipo de microscopio se extendió a partir de 1950, lo que permitió a los investigadores estudiar las ultraestructuras (detalles muy finos) de las células.
Figura 1.8
Leeuwenhoek fue el primero que observó seres microscópicos vivos a través de una lupa fabricada por él.
Los principios en que se basa este aparato son semejantes a los del microscopio fotónico (de luz), pero en lugar de luz usa como fuente un haz electrónico de alta velocidad que tiene una longitud de onda menor que va de 0.1 a 0.2 nm, y son de lentes electromagnéticas y no ópticas. Generalmente tienen un poder de resolución de 1 000 veces más que el microscopio óptico (fig. 1.10). La imagen que se forma no se puede observar en forma directa, los electroimanes dirigen el haz de electrones que amplía y enfoca la imagen, la cual es proyectada sobre una pantalla o una película fotográfica. El microscopio electrónico de transmisión se emplea para observar cortes delgados de muestras fijas y teñidas, que permiten visualizar estructuras internas de la célula. El microscopio electrónico de barrido se usa para observar los detalles de la superficie de la muestra que no son detectados con el microscopio de transmisión, porque en éstos los electrones atraviesan la muestra. Con el microscopio electrónico no es posible observar organismos vivos, como con el óptico. Sin embargo, las observaciones logradas con este aparato han permitido un enorme avance en el estudio de las estructuras finas de la célula (fig. 1.11).
Figura 1.9
Microscopio óptico.
V Lámpara
Filamento
“Iluminación”
Electrones
Fotones
Lente de vidrio
Lente electromagnético Lente condensador Muestra
Lente de vidrio
Lente electromagnético Lente objetivo Primera imagen
Lente electromagnético
Lente de vidrio Lente proyectora Imagen final Ocular
Pantalla Fluorescente
Microscopio fotónico
Microscopio electrónico
Figura 1.10
Figura 1.11
Trayectorias del haz de luz y de los electrones en el microscopio fotónico y el microscopio electrónico.
Microscopio electrónico.
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Preparaciones microscópicas Estudios en vivo Esta técnica se emplea para analizar al microscopio sin ningún proceso, trozos de tejidos, células aisladas como bacterias, hongos unicelulares, protozoarios y algas microscópicas, así como células sanguíneas. Con los microscopios de contraste de fases o de campo oscuro se obtienen buenos resultados. Sin embargo, dado que las células tienen un breve periodo de vida, requieren que la observación se efectúe en medios de montaje apropiados que aseguren un mayor tiempo de sobrevivencia: un adecuado contenido de nutrientes, temperatura, oxigenación y pH, por ejemplo. Para ello se emplean las cámaras húmedas o cámaras de supervivencia, que consisten en portaobjetos gruesos con una excavación circular en el centro, en la que se coloca el material vivo a observar, inmerso en el líquido que le proporciona todo lo necesario para prolongar su vida. Dicho líquido puede ser natural o artificial, dependiendo si proviene del medio donde la célula vive o es preparado para imitar el líquido natural.
Coloraciones vitales Como su nombre lo indica, esta técnica se emplea para estudiar las estructuras de la célula viva. Los colorantes hacen visibles algunas de estas estructuras al acumularse en diferentes partes de la célula. A continuación se mencionan algunos de estos colorantes: • El violeta dalia y el violeta cristal colorean el núcleo. • El verde janus B y el azul nitro de tetrazolio se fijan a las mitocondrias. • El rojo neutro colorea a las vacuolas de protistas, hongos y plantas.
OBSERVACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE LA CÉLULA VIVA Objetivo • Examen en fresco y en tinción vital de algunas estructuras de la célula eucariótica. Consideraciones teóricas En las preparaciones celulares en fresco y en coloración vital son mínimas las alteraciones físicas y químicas que se presentan en el tejido que se desea observar. Material • Cebolla
• Agua de disección
• Solución de azul de metileno
• Microscopio compuesto
• Goteros
• Papel absorbente
• Portaobjetos y cubreobjetos
• Solución de lugol
• Pinzas
Procedimiento 1. De la superficie cóncava de una capa de cebolla desprende la epidermis y colócala en el centro de un portaobjetos con una gota de agua destilada. Con la aguja de disección extiéndela y pon sobre ella un cubreobjetos. Con el papel
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA absorbente seca el agua que pudiera salir fuera del cubreobjetos y, con el microscopio, examina la preparación a menor aumento. Dibuja las células observadas. Después observa tu preparación a mayor aumento. 2. De la misma forma elabora otra preparación de epidermis de cebolla, pero en lugar de una gota de agua, agrégale una gota de solución de lugol. Observa la preparación primero a menor aumento y después a mayor. Dibuja las células observadas y explica la diferencia entre la primera y segunda muestra. 3. Finalmente, colorea otra epidermis de cebolla con azul de metileno. Observa tu preparación, dibuja las células que observas y señala las estructuras que hayas identificado. 4. Elabora un reporte de tu actividad experimental.
Actividad con TIC Investiga por Internet la importancia del uso de la TIC (Tecnología de la Información y la Comunicación) en la investigación biológica y elabora una síntesis para presentarla ante el grupo y solicita retroalimentación de tu profesor y compañeros.
Evaluación formativa 1. Después de haber utilizado el microscopio, describe las diferencias que hay entre el aumento y el poder de resolución de una imagen. Menciona varios ejemplos con los cuales puedes ejercitar esta práctica. 2. ¿Cuáles son las principales características que distinguen el microscopio óptico del microscopio electrónico? ¿Qué desventajas le pondrías a cada uno y por qué? 3. Menciona los aparatos, la cristalería y el instrumental de mayor uso en laboratorio. 4. ¿Qué importancia tiene el empleo de la computadora en los trabajos biológicos?
Equipo de laboratorio biológico Entre los instrumentos que integran el equipo de mayor uso en el laboratorio de biología se mencionan los siguientes:
Aparatos • El más importante es el microscopio que empleamos para aumentar la imagen de la muestra que se desea observar. • Microtomos. Sirven para hacer cortes finos del tejido que se pretende visualizar por el microscopio. • Balanzas. Existen las que se emplean para pesar cantidades mayores y las llamadas analíticas, para pesar objetos de poco peso. • Baño de montaje. Se trata de un recipiente que dispone de termostato para conservar el agua tibia utilizada para el baño María al que se someten muy a menudo las muestras de las preparaciones microscópicas. • Autoclave. Este aparato se emplea para esterilizar el material que se utiliza en las actividades de laboratorio.
Cristalería Está formada especialmente por matraces de diversos tipos, embudos, frascos, goteros, vidrio de reloj, cristalizador, vaso de precipitado, lámparas de alcohol, pipetas, cajas de Petri, probetas, frascos de reactivos.
Instrumental Aquí se incluyen tijeras, bisturí, cápsula de porcelana, morteros, pinzas dientes de ratón, pinzas de Mohr, aguja de disección, bandeja de disección, gradilla con tubos de ensayo, soporte universal, escobillón, mechero de gas.
La computadora en biología La computadora ha desempeñado un papel muy importante en el desarrollo de la biología molecular, no sólo como instrumento que ha permitido el acceso a la información, que por medio de Internet publican los diversos centros de investigación y las principales bibliotecas del mundo, sino porque también resulta ser un poderoso auxiliar. Por ejemplo, en la ingeniería genética el termociclador, aparato que eleva y desciende la temperatura en continuos ciclos durante el 12
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES proceso de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), se regula por medio de la computadora. Asimismo, la secuenciación del ADN se logra con mayor eficiencia y rapidez a través de la computadora (fig. 1.12).
Uso de las TIC en la Biología En los actuales proceso de enseñanza-aprendizaje se ha incorporado la Tecnología de la Información y Comunicación (TIC) como medios para obtener la información sobre los avances científicos, como los biológicos, por medio del Internet, para procesarla y difundirla al grupo de personas al que se pretende proporcionarle la información; para lograrlo se requiere tener los conocimientos necesarios en el manejo de la computadora, como el poder acceder al sitio de la información y almacenarla, así como obtener de ella los conocimientos específicos de cada tema. Para la sociedad contemporánea las TIC son herramientas imprescindibles para la difusión y generación de conocimientos. En el desarrollo de esta obra encontrarás diversas actividades con TIC.
Figura 1.12
La incursión de la computadora en la biología ha sido muy importante, por ejemplo, la secuenciación de ADN se logra mejor y más rápido a través de ésta.
3. DISEÑO DE UNA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Una investigación científica consiste en la serie de actividades que el científico realiza encaminadas a descubrir nuevos conocimientos, los cuales no sólo deben su importancia como nuevos datos que se acumulan, sino por la relación que pueden tener con la información existente, es decir, pueden constituir una pieza importante en el contexto general de lo que ya se ha descubierto.
Método científico La mayoría de los investigadores, aunque tengan su particular creatividad en el diseño de sus experimentos, emplean como marco de referencia los pasos del método científico. Por eso, en el referido método suelen presentarse algunas variantes que no demeritan la calidad de los resultados. A continuación se describen los principales pasos del método científico: • Observación. Consiste en fijar la atención en lo que ha despertado el interés, identificando sus características o sucesos específicos por medio de nuestros sentidos y auxiliado por instrumentos como la lupa, el microscopio, la regla y otros. • Planteamiento del problema. De la observación surgen las preguntas que deben ser congruentes con el material observado y apegadas a la lógica. Aquí surgen varios planteamientos: qué, cómo, dónde, cuándo, para qué. • Hipótesis. Son las respuestas lógicas que se tratan de dar a las preguntas. Es la explicación tentativa que puede servir de guía a la investigación, ya que supuestamente explica el fenómeno observado, el cual debe ser sometido a comprobación. • Diseño del experimento. Se refiere al plan a desarrollar para lograr la comprobación de la hipótesis, en este paso se deben contemplar los objetivos a lograr, los antecedentes de conocimiento, la investigación bibliográfica previa, la relación de material y equipo necesarios, el procedimiento experimental y los resultados y conclusiones que se obtengan. • Experimentación. Es la prueba rigurosa a que se somete la hipótesis. Consiste en crear las condiciones especiales para que hagan posible la repetición del fenómeno en estudio, controlando las variables involucradas en el proceso. • Confirmación de la hipótesis. Cuando los resultados que se obtienen en la experimentación confirman la veracidad de la hipótesis.
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Evaluación formativa Describe los pasos del método científico, empleando al menos tres ejemplos. Elabora una opinión sobre el impacto que éstos tienen en tu entorno familiar, social o cultural.
Actividad con TIC Investiga por Internet los pasos del método científico aplicado a la biología y con la información obtenida elabora un mapa conceptual para presentarlo ante el grupo y solicita retroalimentación de tu profesor y compañeros.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA • Teoría. El hecho de que la hipótesis resista las rigurosas pruebas a las que es sometida por medio de la experimentación y que sólo es válida para un lugar y tiempo definido la eleva a la categoría de teoría. • Ley. La continua validez de la teoría ante repetidas pruebas durante todo tiempo y lugar hace que adquiera el nivel de ley. Un ejemplo en el que un investigador haya aplicado los pasos del método científico es el siguiente: En 1928, el bacteriólogo escocés Alexander Fleming encontró que uno de sus cultivos bacterianos se había contaminado con el hongo Penicillium. Antes de desechar el contenido de la caja de cultivo, se percató de que las bacterias no habían crecido alrededor del hongo, lo que le hizo suponer que posiblemente éste desprendía cierta sustancia que destruía las bacterias. Para comprobar su hipótesis, Fleming sembró el hongo en una solución de caldo nutritivo, después filtró el caldo, aplicó el líquido a otro cultivo de bacterias y observó que éstas fueron eliminadas. En los años siguientes, el extracto obtenido de este hongo se utilizó para producir la penicilina, el primer antibiótico; medicamento que ha servido para combatir infecciones de origen bacteriano.
Observación
Las bacterias no crecían alrededor del hongo Penicillium.
Planteamiento del problema
¿Qué relación habrá entre el hongo y las bacterias?
Formulación de la hipótesis
Posiblemente el hongo desprenda alguna sustancia que inhibe el crecimiento de las bacterias.
Diseño del experimento
Elaborar un plan para comprobar la hipótesis: se aplicará el líquido que se obtenga del medio donde crecen los hongos a nuevos cultivos de bacterias.
Experimentación
Aplicación del líquido obtenido del filtrado del caldo donde se sembraron los hongos a cultivos de bacterias.
Confirmación de la hipótesis
El hongo Penicillium produce una sustancia que inhibe el crecimiento de las bacterias.
Los medios de divulgación, especialmente la televisión y el cine, se han encargado de distorsionar cómo es y qué hace un científico. Muy a menudo lo describen como el anciano distraído, aislado en su lúgubre laboratorio, dedicado a descubrir algo que por su acción le brinde poder o dinero a su poseedor.
La persona que aspira a estudiar una carrera científica además
Esta descripción en nada favorece la inclinación de los estudiantes hacia una carrera científica. No resulta atractiva la dedicación de toda una vida a una función similar a la descrita.
cualidad necesaria es la perseverancia; los científicos no siempre
Por eso es importante que los alumnos que reúnan las aptitudes necesarias para las carreras científicas, conozcan objetivamente la función del científico, el ambiente de cordialidad y cooperación que prevalece en un laboratorio, donde se desarrollan importantes líneas de investigación.
actividad se han superado. Por eso se afirma que la actividad
de tener la vocación hacia el área, debe poseer ciertas cualidades como la habilidad de análisis, es decir, no aceptar siempre como verdadero todo, sino tener la inquietud de cuestionar lo que parezca dudoso, para una posterior indagación y análisis. Otra logran sus objetivos en el primer intento; enfrentando fracasos y errores, que con la imaginación de las personas dedicadas a esta científica está llena de obstáculos que exige un arduo trabajo y mucha responsabilidad, pero en nada parecido al viejito distraído, encerrado en su laboratorio, descrito por las novelas, la televisión y el cine.
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Avances tecnológicos de la región Las formas como se indagan las causas del problema biológico que se estudia desempeñan un papel muy importante en su identificación, que pueden conducir a la formulación lógica de la hipótesis, lo que también conlleva a un buen diseño del experimento para comprobar la hipótesis y consecuentemente al análisis e interpretación correctos de los datos que arroje la actividad experimental. Por eso, con justa razón se afirma que el éxito de la investigación depende de la indagación que se haga del problema biológico y del trabajo de laboratorio. La investigación se inicia con el planteamiento del problema, que motiva una revisión de la información bibliográfica disponible, para después formularse una explicación tentativa de resolución del problema (hipótesis) y proceder al diseño del experimento mediante un plan detallado que especifique el tipo de organismo, material y equipo que se utilizará en la experimentación, así como el procedimiento a seguir. La investigación termina con la información e interpretación de los resultados que se obtengan.
Aprende a ser con la biología A continuación, emplea el método científico; diseña una investigación biológica que tenga como referencia algún avance tecnológico de tu región. Al final elabora un reporte sobre los resultados que obtengas.
4. PROCESOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Toda célula posee una membrana como barrera que delimita el exterior con su interior y que además le permite interactuar de forma selectiva con el medio que le rodea. A esta barrera se le conoce como membrana citoplasmática o celular. Esta capacidad que poseen las células de separar selectivamente dos medios diferentes la tienen también los órganos membranosos como el retículo endoplásmico, la membrana nuclear, el aparato de Golgi o las mitocondrias. En adelante nos referiremos en especial a las características y los mecanismos de transporte que suceden en la membrana citoplasmática. La membrana citoplasmática posee características moleculares específicas que evitan que el contenido celular escape y se mezcle con el exterior o que productos externos sean introducidos indiscriminadamente. De igual forma, tiene la capacidad de obtener nutrientes del medio y excretar los desechos, así como de muchos otros procesos de interacción con el exterior; incluso de comunicación con otras células. Para realizar muchas de estas funciones se llevan a cabo mecanismos de transporte: simples y especializados. Para entender éstos se requiere comprender la estructura molecular de la membrana citoplasmática.
Estructura de la membrana La membrana citoplasmática es delgada, transparente e inapreciable en el microscopio óptico, tanto que permite observar al interior de la célula el núcleo y otras estructuras. 15
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Otra característica de la membrana es su plasticidad, la cual se hace evidente al puncionar la membrana con una pipeta especializada y no ponchar la célula, o como la capacidad de esta membrana de deformarse sin romperse y volver a su estado original, como sucede cuando la célula se reproduce. En 1972, S. Jonathan Singer y Garth Nicholson propusieron el modelo de mosaico fluido para la membrana citoplasmática, que es el más aceptado en la actualidad. Postula que la estructura de la membrana está formada por una bicapa lipídica con características moleculares particulares que le confieren fluidez, impermeabilidad y selectividad al mismo tiempo. A continuación describiremos algunas características de la membrana en las que radica parte de su función. La membrana está compuesta de una bicapa lipídica de un grosor cercano a los 5 nm (aproximadamente lo equivalente a 50 átomos).
Figura 1.13
Estructura de la membrana plasmática con la bicapa lipídica y las proteínas.
Los lípidos de esta bicapa lipídica son de naturaleza anfipática, es decir, poseen una cara hidrofílica (afín al agua) y otra hidrofóbica (repelente al agua).
La porción hidrofílica de la molécula reside en la cabeza del lípido. La característica hidrofílica de la cabeza se debe a que aquí se encuentran moléculas polares (balance desigual de cargas positivas y negativas), lo que permite que reaccionen con el agua formando uniones electrostáticas y puentes de hidrógeno. La porción hidrofóbica está ubicada en las dos colas de la molécula. Éstas poseen moléculas apolares, lo que significa que sus átomos no poseen (o poseen poca) carga, por lo que no pueden interactuar con el agua. Los lípidos más abundantes en la membrana citoplasmática son los llamados fosfolípidos. En éstos la cabeza hidrofílica está unida a las colas hidrofóbicas por un grupo fosfato. Existen muchos tipos de fosfolípidos, el más representativo en la membrana es el conocido como fosfatidilcolina, su cabeza hidrofílica está compuesta por una molécula de colina unida al grupo fosfato. En la membrana, además de los lípidos, existen otras moléculas anfipáticas como el colesterol y los glucolípidos. Por otra parte, la membrana cuenta con proteínas dispuestas de diversas formas (fig. 1.13) y cuyas funciones son: • Proteínas de transporte. Permiten el paso selectivo de elementos hacia fuera y hacia adentro de la célula. • Proteínas receptoras. Permiten el acoplamiento de moléculas que funcionan como señales químicas de diferentes procesos metabólicos, endocrinológicos, inmunológicos, nerviosos, etcétera. • Enzimas. Catalizan diferentes reacciones desde la membrana citoplasmática. • De unión. Permiten la interacción célula-célula. Estas proteínas pueden estar dispuestas en la membrana de las siguientes formas: • Proteínas transmembranales. Atraviesan de un lado al otro (interior-exterior) a la membrana y poseen también regiones hidrofóbicas e hidrofílicas. 16
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES • Proteínas citosólicas. Se encuentran en la cara interna de la membrana, en contacto con ella y con el citoplasma. • Proteínas externas. Se localizan fuera de la membrana en contacto con ella y con la matriz extracelular. • Proteínas unidas a otras proteínas. Son proteínas citosólicas o externas en contacto con proteínas transmembranales.
Evaluación formativa Indica la respuesta correcta. 1. Es la composición de la membrana citoplasmática, según el modelo del mosaico fluido. ( ) a) Una bicapa lipídica con moléculas de proteínas
Transporte a través de la membrana
b) Una bicapa de proteínas con moléculas de lípidos
Transporte pasivo Toda célula requiere el intercambio de material por medio del transporte a través de su membrana para crecer, desarrollarse y reproducirse, ya que gracias a este proceso se pueden obtener nutrientes del medio, excretar los desechos e interactuar con otras células. El transporte de diferentes iones y moléculas a través de la membrana, se da por medio del empleo de sistemas que requieran gasto de energía (transporte activo) o con sistemas que no lo requieran (transporte pasivo). En el transporte pasivo, el desplazamiento de los elementos es siempre a favor de gradiente, es decir, se dirigen de un lugar de mayor concentración a uno de menor para obtener, al final, un equilibrio entre ambos. Del transporte pasivo existen tres modalidades principales: ósmosis, difusión y difusión facilitada.
Ósmosis Para entender este proceso necesitamos definir algunos términos. En el ambiente celular el agua es considerada el solvente universal, en ésta están disueltos diversos iones y moléculas a los cuales se les conoce como solutos. Si se tienen dos soluciones, una con mayor concentración de solutos (y menor cantidad de agua o solvente) y otra con menor cantidad de soluto (y mayor cantidad de solvente), entonces decimos que la primera es una solución hipertónica y la segunda es hipotónica. Las células eucariotas normalmente viven en soluciones isotónicas; es decir, que se guarda la misma tonicidad o mantiene equilibrada la concentración de soluto y solvente entre la célula y el medio exterior (fig. 1.14). Como sabemos, la barrera que separa el medio exterior del interior de la célula es la membrana citoplasmática, que al ser semipermeable permite el paso de ciertos elementos como el agua. Esto lo logra ya sea por medio de la difusión simple o a través de proteínas llamadas canales. Si una célula se encuentra en un medio hipertónico (con mayor cantidad de soluto que solvente), el agua del interior de la célula (que es un medio isotónico) se encuentra en mayor cantidad en comparación al exterior (y parece hipotónico). Por tanto, el agua intracelular trataría de difundirse hacia el exterior, en otras palabras, el agua se desplazaría del sitio donde se encuentra en mayor cantidad hacia el sitio con menor cantidad, a este proceso se le conoce como ósmosis (fig. 1.15).
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c) Una capa de fosfolípidos y diversos tipos de proteínas d) Una capa de proteínas y diversos tipos de lípidos 2. Origen de la naturaleza anfipática de los lípidos de la membrana. (
)
a) Su cabeza es hidrofílica y sus dos colas hidrofóbicas b) Su cabeza es apolar y sus dos colas polares c) Sus dos colas reaccionan con el agua y su cabeza no d) Sus dos colas tienen carga eléctrica y su cabeza no 3. Son proteínas que permiten el paso del material que la célula requiere o elimina a través de la membrana. ( ) a) Receptora b) De unión c) De transporte d) Enzimas
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura 1.14
Ósmosis, efecto de soluciones a) isotónicas, b) hipertónicas y c) hipertónicas sobre eritrocitos.
En el caso anterior, la célula sufriría pérdida de su volumen, deformándose y tornándose arrugada, y, finalmente, se colapsaría; a esto se le llama estado de plasmólisis. Por otro lado, si se coloca una célula en un medio hipotónico (con mayor concentración de agua que de soluto) el interior de la célula que es isotónico tendría mayor cantidad de soluto y menor cantidad de agua, en relación con su exterior parecería hipertónica.
Figura 1.15
Ósmosis, las moléculas de agua se desplazan a favor de su gradiente de concentración, de un punto con mayor número de moléculas de agua hacia donde hay una menor cantidad.
Por tanto, el agua exterior tendería a desplazarse hacia el interior de la célula (del sitio con mayor número de moléculas de agua hacia el sitio con menor cantidad) y propiciaría el fenómeno conocido como estado de turgencia; es decir, la célula se hinchará y reventará por el exceso de agua. La ósmosis se define como el proceso de transporte pasivo de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable, y siempre a favor de su gradiente de concentración (la dirección del transporte va de la solución hipotónica a otra hipertónica con respecto a la primera), hasta lograr el estado de equilibrio y sin gasto de energía.
Difusión La difusión se define como el paso libre de moléculas pequeñas y no polares a través de la membrana y a favor de un gradiente de concentración y sin gasto de energía (fig. 1.16).
Figura Fig ura 11.16 .16 16
Difusión a través de membrana
Los ejemplos clásicos de moléculas que difunden a través de membranas son el oxígeno y el dióxido de carbono. En menor grado algunas moléculas polares sin carga, como el agua y el etanol.
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Ejemplo de moléculas que difunden con mayor dificultad son el glicerol y la glucosa. Moléculas que no pueden ser difundidas son los iones y moléculas cargadas.
DIFUSIÓN Y ÓSMOSIS Objetivo • Identificar los procesos de difusión y ósmosis como transporte pasivo. Consideraciones teóricas El transporte pasivo es el acarreo de moléculas a favor del gradiente de concentración, es decir, de un medio de mayor concentración molecular a uno de menor concentración, sin gasto de energía. Los procesos de difusión y ósmosis se realizan por transporte pasivo. El proceso de difusión consiste en el movimiento de las moléculas o iones de su medio de mayor a menor concentración tendiente a igualar las diferencias y alcanzar un equilibrio. Por ósmosis se realiza el movimiento de las moléculas de un solvente, generalmente agua, de su medio de mayor a menor concentración a través de una membrana semipermeable, hasta alcanzar el estado de equilibrio. Material • Vaso de precipitado
• Embudo de separación
• Cristales de sulfato de cobre
• Buche de gallina, membrana de colodión o papel celofán
Procedimiento En un vaso de precipitado con agua coloca algunos cristales de sulfato de cobre; observa qué sucede, registra tus observaciones y explica la causa de la reacción. Cubre la boca de un embudo de separación con buche de gallina, membrana de colodión u hoja de celofán, perfectamente sujeta con una liga. En el interior del embudo (en forma invertida) introduce una sustancia que contenga algún colorante (medio hipertónico). Introduce la parte del embudo donde se encuentra colocado el buche de gallina, membrana de colodión o papel celofán dentro de un vaso de precipitado que contenga agua destilada (medio hipotónico). Sujeta el embudo con un soporte universal y registra tus observaciones. Elabora un reporte general de la práctica.
Difusión facilitada Este tipo de transporte emplea proteínas canales o proteínas transportadoras sin gasto de energía y a favor de un gradiente de concentración, que continúa hasta el equilibrio, al no requerir energía también se trata de un transporte pasivo (fig. 1.17). 19
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura 1.17
Cuando la molécula se une a la proteína de transporte, ésta cambia su forma y facilita el paso de la molécula a través de la membrana.
Las proteínas transportadoras poseen partes móviles y sufren un cambio en su conformación tridimensional mientras desplazan la molécula que difunden. El desplazamiento de moléculas a través de estas proteínas transportadoras se basa en la capacidad de los solutos de “encajar” a un sitio de unión de las proteínas. Las proteínas de canal forman poros hidrofílicos por los que pasan las moléculas que difunden. El desplazamiento de moléculas a través de estas proteínas de canal se basa en el tamaño y la carga eléctrica de la molécula.
Transporte activo
Figura 1.18
Transporte activo. Las proteínas transportadoras de la membrana transfieren las moléculas hacia adentro o fuera de la célula, en contra del gradiente de concentración, con gasto de energía.
Se define como transporte activo el desplazamiento a través de una membrana de iones o moléculas en contra de su gradiente de concentración o de su potencial eléctrico, para lo cual necesita un gasto
de energía (fig. 1.18). El transporte activo lo podemos clasificar en primario y secundario dependiendo de la naturaleza de su fuente de energía. Transporte activo primario. Este sistema emplea como fuente de energía la hidrólisis del las clásicas bombas, por ejemplo, la bomba de sodio-potasio.
ATP.
Son
En este tipo de transporte la bomba posee un sitio de unión con uno de los fosfatos del ATP, después de la hidrólisis del ATP hacia ADP + Pi, el Pi se queda en la molécula transportadora y se induce el cambio conformacional de ésta para permitir la entrada o salida del elemento a transportar. Transporte activo secundario. Emplea como fuente de energía la almacenada como producto del gradiente químico y no al ATP. 20
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Estas bombas, al movilizar iones y moléculas en contra de su gradiente de concentración, generan una diferencia entre la concentración iónica citosólica y la extracelular, produciendo así gradientes iónicos a través de membrana. Las proteínas encargadas del transporte secundario movilizan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, al mismo tiempo que desplazan uno o más iones (en el mismo sentido o sentido contrario), pero éste sí va a favor de su gradiente de concentración. Existen dos tipos de estas proteínas: Antiporte. Estas proteínas transportadoras desplazan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, y al mismo tiempo mueven en sentido contrario uno o más iones a favor de su gradiente de concentración (fig. 1.19). Simporte. Estas proteínas transportadoras desplazan una molécula o ion en contra de su gradiente de concentración, y simultáneamente mueven en el mismo sentido uno o más iones a favor de su gradiente de concentración (fig. 1.20).
Evaluación formativa Parte I. Elabora un análisis comparativo sobre las características, función y proceso del transporte pasivo y transporte activo; posteriormente, explica en qué consiste y cómo se da el fenómeno de la ósmosis utilizando diversos ejemplos de la vida cotidiana, finalmente, menciona cuál es la importancia que ésta tiene en la fisiología celular de los seres vivos.
Figura 1.19
Transporte activo secundario del tipo antiporte. Las moléculas son desplazadas en sentido contrario. Fuente: http://www.vscht.cz/eds/knihy/ uid_es-002/figures/antiport.01.jpg
Parte II. Relaciona ambas columnas. Escribe en cada paréntesis la letra de la opción correcta. (
)
(
)
(
)
4. Proceso de desplazamiento de moléculas, sin gasto de energía a favor de un gradiente de concentración, por medio de proteínas de transporte, que al cambiar su forma facilita el paso a través de la membrana. (
)
1. Es un medio hipertónico. a) b) c) d)
El que contiene menor cantidad de solutos El que contiene mayor cantidad de solutos La sustancia con mayor cantidad de solvente La sustancia con cantidades iguales de soluto y solvente
2. Propicia en la célula el estado de plasmólisis. a) b) c) d)
Pérdida de agua después de colocarse en un medio hipertónico Incremento de agua después de colocarse en un medio hipertónico Cuando mantiene equilibrada la concentración de soluto y solvente El medio externo hipotónico, el interno hipertónico
3. Es el transporte pasivo de moléculas de agua en su medio de mayor a menor concentración a través de una membrana semipermeable. a) Difusión
b) Difusión facilitada
c) Ósmosis
d) Simporte
a) Ósmosis
b) Difusión
c) Difusión facilitada
d) Antiporte
5. Es el acarreo de iones o moléculas a través de la membrana en contra de su gradiente de concentración con gasto de energía. a) Difusión
b) Difusión facilitada
c) Transporte pasivo
d) Transporte activo
21
Figura 1.20
(
)
Transporte activo secundario del tipo simporte. Las moléculas son desplazadas en el mismo sentido. Fuente: http://www.vscht.cz/eds/knihy/ uid_es-002/figures/antiport.01.jpg
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
6. Es la fuente de energía empleada en el transporte activo primario. a) b) c) d)
( )
La almacenada como gradiente químico a través de la membrana La movilización de moléculas para ambos lados que hacen las proteínas transportadoras La hidrólisis del ATP De la acción de las proteínas antiporte y simporte
5. PROCESOS DE COMUNICACIÓN CELULAR Las células pueden establecer comunicación entre sí por medio de moléculas producidas por una de ellas, exportadas luego al espacio extracelular y, finalmente, tomadas por receptores especializados de otras.
Transmisión del impulso nervioso Otro mecanismo por medio del cual las células de un organismo interactúan, mantienen la integridad funcional y se relacionan con el exterior, es el sistema nervioso. El sistema nervioso nos permite recibir diferentes señales de nuestro entorno, estímulos físicos como los luminosos, sonoros, térmicos y de textura, y estímulos químicos como los olfativos y de sabor, entre otros. De igual forma, el sistema nervioso nos permite reaccionar ante tales señales con acciones como la permanencia o la huida, la respuesta orgánica de cambio o adaptación, entre otras. Además, podemos procesar estos estímulos como información, y lo hacemos con diferente grado de complejidad en su análisis, dependiendo de la especie animal que lo realice. Por ejemplo, algunos primates han desarrollado la capacidad de emplear una piedra para partir sus frutos, otros usan pajillas para introducirlas a nidos de insectos, atraparlos, comérselos y obtener de esta forma una fuente importante de proteína (fig. 1.21). Figura 1.21
El ser humano, por su parte, ha llegado a tal grado de abstracción, complejidad analítica y razonamiento en el procesamiento de estos estímulos, que ha comenzado a entender y ha logrado modificar su entorno, producir herramientas, establecer civilizaciones, generar y difundir el conocimiento de su apreciación del medio y de sí mismo, crear arte, poseer sensibilidad espiritual, establecer rituales ante la muerte y la vida, etcétera.
Las diferentes especies procesan la información de manera distinta, como el estímulo de la permanencia o huida.
Como vemos, el sistema nervioso es demasiado complejo debido a sus implicaciones moleculares, celulares, de interacción entre sistemas y entre individuos. A continuación se analizan los elementos fundamentales de la estructura y funcionamiento de este fascinante sistema. Para comprender más acerca de la estructura y función del sistema nervioso en el ser humano y otros animales se han establecido dos divisiones o clasificaciones de éste. La primera considera su distribución anatómica y la segunda se enfoca en su función.
Distribución anatómica Anatómicamente, el sistema nervioso se subdivide en: a) Sistema nervioso central. Comprende al encéfalo y la médula espinal. El encéfalo (también llamado masa encefálica) está formado por el cerebro y el cerebelo. La médula espinal es la 22
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES serie de neuronas y fibras nerviosas que corren dentro de las vértebras (columna vertebral) (fig. 1.22). En el cerebro humano se procesa el pensamiento razonado, así como los movimientos y las funciones vitales. El cerebelo es el órgano encargado (entre otras funciones) de dar el
Encéfalo
Sistema nervioso central Pares craneales
Raíces medulares
Sistema nervioso periférico
Médula espinal
Raíces medulares Figura 1.22
Sistema nervioso central y periférico. Fuente: Chiropractic website, http://www. newportchiropractic. com/images/ nerv_sys.jpg 23
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA movimiento fino y de coordinación motriz. En casos de infecciones por bacterias del género Leptospira en terneras se han observado temblores y falta de coordinación. La médula espinal es la encargada de llevar y traer los estímulos del exterior y del resto del cuerpo hacia el encéfalo. b) Sistema nervioso periférico. Compuesto por los pares craneales y las raíces medulares (nervios y plexos). Los pares craneales son doce ramas nerviosas (con sus múltiples divisiones cada una) que emergen del encéfalo y llegan a diferentes partes del rostro. Las raíces medulares son una serie de fibras nerviosas que surgen o llegan a la médula espinal (fig. 1.22). Figura 1.23
Sistema nervioso somático o voluntario.
Encéfalo
Médula espinal
Neurona motora
Sistema nervioso somático (piel y músculo esquelético)
Neurona sensorial
Sistema nervioso autónomo (vísceras y músculos involuntarios)
División simpática
División parasimpática
Función a) Sistema nervioso somático o voluntario. Son todas las fibras nerviosas que inervan (estimulan) los músculos del tipo estriado esquelético. Este tipo de
Figura 1.24
Figura 1.25
El sistema nervioso autónomo simpático nos prepara para la huida y el peligro.
El sistema nervioso autónomo parasimpático restablece las funciones hacia la homeostasis. 24
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES músculo lo podemos mover a voluntad, por ejemplo, los de la mano o los del pie (fig. 1.23). Existen otros dos tipos de músculos, pero éstos son involuntarios (no los podemos mover a nuestro gusto), el músculo liso y el cardiaco. El músculo liso está presente cubriendo vasos sanguíneos y algunas vísceras como el intestino. b) Sistema nervioso autónomo o visceral. Inerva el músculo liso y el cardiaco, así como las glándulas y otros órganos. Este sistema lo podemos subdividir en: • Sistema nervioso simpático. Prepara el organismo para situaciones de estrés; por ejemplo, cuando vas por la calle y de repente un gran perro te ladra a 5 cm de tu pierna. Con este estímulo saltas y corres, además aumenta tus frecuencias cardiaca y respiratoria, disminuye el movimiento del estómago, tus pupilas se contraen y a veces vomitas, todos estos efectos son involuntarios (fig. 1.24). • Sistema nervioso parasimpático. Éste permite que el organismo se tranquilice y vuelva al estado de reposo; por ejemplo, cuando te das cuenta de que el perro no era tan grande, más bien pequeño, y de que estaba detrás de la reja y no te podía alcanzar (fig. 1.25). En este caso tus frecuencias respiratoria y cardiaca disminuyen y se estabilizan, aumentan tus movimientos gástricos y tus pupilas se dilatan; de igual forma son efectos involuntarios. En todos estos procesos la protagonista es la unidad morfológica y funcional básica del sistema nervioso: la neurona.
LOS ASTROCITOS INVOLUCRADOS EN LA ESCLEROSIS LATERAL AMNIOTRÓFICA (ELA) conduce a la parálisis generalizada de la persona que la padece hasta provocarle la muerte.
Los astrocitos son células gliales con diversas funciones, entre las cuales destacan el soporte mecánico de las neuronas, formación de fibras entre la sangre y las neuronas, regulación en la composición del líquido extracelular y sus niveles de iones de potasio y calcio. Sin embargo, investigadores del equipo del Dr. Serge Przedborski, de la Universidad de Columbia en Nueva York, descubrieron que el funcionamiento anormal de los astrocitos se encuentra relacionado con la esclerosis lateral amniótrófica (ELA), una enfermedad nerviosa degenerativa que gradualmente
Los astrocitos, según los estudios de estos investigadores, producen una proteína tóxica cuando presentan una mutación en el gen llamado SOD1, lo que genera la enfermedad. Los estudios actuales se han dado a la tarea de identificar esa proteína tóxica, que podrá facilitar el diseño del medicamento para la cura de la enfermedad.
6. PROCESO DE DIFERENCIACIÓN CELULAR Como se ha visto, diversos organismos (como el ser humano) cuentan con sistemas altamente especializados y sofisticados que les permiten interactuar con otros sistemas y el resto del mismo cuerpo, así como con su entorno. Dentro de estos sistemas se encuentran el nervioso, inmune (tratado en el próximo capítulo) y endocrino. Resulta interesante pensar que todos estos sistemas y tejidos poseen como unidad básica la célula, la cual contiene la misma cantidad y tipo de información genética (excepto las células sexuales o gametocitos, que poseen la mitad). Es entonces que nos surgen algunas preguntas; por ejemplo, ¿cómo es posible que las diferentes células de un organismo puedan contener el mismo genoma y ser tan diferentes? ¿Cuándo y cómo lograron adquirir características tan distintas y tan especializadas cada uno de los diferentes tipos de células que nos conforman?; es decir, ¿por qué una célula de músculo es tal y no se parece a una neurona o hepatocito a pesar de tener la misma información genética? 25
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Ovulación Menstruación
Endometrio (revestimiento del útero) Premenstrual Trompas de Falopio
Capa endometrial del útero Óvulos
Ovario Útero
Flujo Vagina menstrual Menstruación
Figura 1.26
Ciclo menstrual.
Posmenopáusico
Para tratar de entender las respuestas que la ciencia ha dado a estas y otras preguntas (enfocándonos al ser humano) es necesario comprender los procesos de diferenciación celular que se dan cuando el óvulo es fecundado.
Capas germinales y célula madre Figura 1.27
Fecundación.
Antes de la fecundación deben ocurrir numerosos eventos como la maduración sexual, la gametogénesis, la preparación cromosómica de las células germinales (meiosis), la sincronización cíclica de la ovulación con la presencia del espermatozoide, la interacción exitosa de gametos, etcétera. El ciclo menstrual (fig. 1.26) en la especie humana comienza en la pubertad de la mujer, alrededor de los 13 años. Estos ciclos se presentan en promedio cada 28 días con algunas variaciones que pueden ser de origen fisiológico o patológico que sólo la supervisión de un especialista (ginecólogo) podrá determinar. Se puede considerar como punto de partida para el estudio de este ciclo, el comienzo de la maduración de los folículos ováricos, que darán lugar a la producción de una célula germinal viable u ovocito. Este fenómeno se da por estímulo de la hormona FSH (hormona folículo estimulante) y ocurre del día 0 a los días 10 a 14 del ciclo. Posteriormente, entre los días 10 a 14, ocurre la ovulación. En caso de estar presente el espermatozoide es muy probable que ocurra la fecundación (no en casos de fallas reproductivas como la esterilidad masculina o la femenina). En caso contrario (ausencia de espermatozoide o infertilidad), el ciclo continuará hasta el día 28, cuando comenzará a desprenderse la mucosa del útero (endometrio) que estaba preparada para recibir al óvulo fecundado y se presentará a manera de sangrado. Este periodo, conocido como menstruación, normalmente debe durar alrededor de cuatro o cinco días, en caso contrario es necesario consultar al ginecólogo.
Figura 1.28
A partir de que el óvulo es fecundado por un espermatozoide, se producen cambios físicos para que el organismo de la mujer se adapte al embarazo.
Si el óvulo (también llamado ovocito) no contacta con el espermatozoide en un lapso de 24 horas después de la ovulación, tiende a degenerarse y morir. La fecundación se lleva a cabo en una región del útero conocida como ampolla de la trompa uterina. Ahora al óvulo fecundado se le denominará cigoto (figs. 1.27 y 1.28). 26
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Este cigoto posee alrededor una envoltura (restos de la ovulación) llamada zona pelúcida. Cuando el óvulo es fecundado (cigoto) comienzan a darse en él una serie de divisiones mitóticas. Conservando todavía la zona pelúcida, el cigoto presentará estas células en división en su interior, las cuales reciben el nombre de blastómeras. El cigoto muestra su primera división (dos blastómeras) 30 horas después de la fecundación, a las 40 horas ya son cuatro blastómeras, tres días después, 16 células (mórula temprana). Al cuarto día ya hay una masa celular llamada mórula madura (fig. 1.29). Poco a poco se presentan nuevas divisiones y se generan nuevas células, desde el cuarto día comienza a darse una separación en el cigoto, empieza a entrar líquido a través de la zona pelúcida y se generan dos grupos celulares: la masa celular interna embrioblasto, que dará origen a los tejidos del embrión y el trofoblasto o masa celular externa del que se formará la placenta (fig. 1.30). Aproximadamente al quinto día la zona pelúcida desaparece, el líquido infiltrado al interior del cigoto llena el interior de éste y forma una cavidad llamada blastocele o cavidad del blastocisto. Ahora el cigoto cambia de nombre y se le llama blastocisto (fig. 1.30). Alrededor del sexto día el blastocisto comienza a contactar con las células epiteliales de la mucosa uterina. Hasta aquí terminaría la primera semana posterior a la ovulación. Al octavo día el trofoblasto se ha diferenciado en dos capas: el citotrofoblasto y el sincitiotrofoblasto. El citotrofoblasto es la capa interna del trofoblasto y el sincitiotrofoblasto es la capa externa que se introduce hacia el endometrio (fig. 1.31). Por su parte, el embrioblasto (masa celular interna) se diferencia en hipoblasto y epiblasto. La capa hipoblástica delimita o rodea la cavidad del blastocisto y la capa epiblástica delimitará lo que será la cavidad amniótica (fig. 1.32). En la tercera semana (después de la fecundación) comienzan a desarrollarse las capas embrionarias (ectodermo, mesodermo y endodermo), que generaran todos los tejidos del organismo. Al proceso por medio del cual se da la separación y diferenciación de
Blastocele
Figura 1.29
Tipos de huevo según la cantidad y distribución del vitelo.
Trofoblasto
Masa celular interna (embrioblasto)
Sincitiotrofoblasto Citotrofoblasto Trofoblasto
Figura 1.30
Figura 1.31
Blastocisto. Fuente: Sautullo, Daniel. Clonación humana non reproductiva en Corea. Tempos Novos 82, III, 2004, pp. 56-61.
Trofoblasto. Fuente: Departamento de biología celular, Universidad de Barcelona. 27
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Hipoblasto
las células de estas capas se le conoce como gastrulación y se realiza a partir de células epiblásticas (fig. 1.33).
Sincitiotrofoblasto Citotrofoblasto
Cavidad amniótica Epiblasto Membrana amniótica Figura 1.32
El embrioblasto se divide en hipoblasto y epiblasto.
Todo comienza cuando en la superficie del epiblasto aparece un surco llamado línea primitiva (fig. 1.34). Algunas células del epiblasto migran hacia la línea primitiva y entonces se desprenden (del epiblasto) para viajar hacia el hipoblasto, lo que produce la separación entre epiblasto e hipoblasto. Las células más cercanas al hipoblasto originarán la capa germinal del endodermo. Las células ubicadas entre el endodermo y el epiblasto originarán el mesodermo y las células que quedaron en el epiblasto constituirán el ectodermo. En resumen, el epiblasto generará las tres capas geminales, ectodermo, mesodermo y endodermo, de las cuales se originarán todos los tejidos y órganos del individuo. Por ejemplo, el ectodermo cubre la notocorda (grupo de células precursoras del sistema nervioso) y epitelio de la piel, glándulas endocrinas (la hipófisis), otras glándulas como la mamaria y la sudorípara, órganos de los sentidos (epitelio sensorial del oído, nariz y ojo) y esmalte dentario. A partir del mesodermo se formará el aparato genitourinario, sistema circulatorio, bazo, corteza de glándulas suprarrenales, cartílago, músculo, hueso, serosas, etcétera. Finalmente, las células del endodermo darán origen al epitelio del tubo digestivo, hígado, páncreas, aparato respiratorio, tiroides y paratiroides, y la vejiga. Forma el parénquima de tiroides, paratiroides, hígado y páncreas.
Figura 1.33
Gastrulación. A partir del epiblasto se desarrollarán las tres capas embrionarias.
1. Algunas células blastodérmicas ingresan formando el mesénquima primario.
Blastoporo (futuro ano).
2. Otras células blastodérmicas se invaginan formando el arquenterón (futuro tubo digestivo).
3. Las células a los lados del arquenterón se elongan.
Mesénquima secundario Ectoodermo Figura 1.34
Gastrulación. Comienza con la formación de la línea primitiva.
Mesénquima primario Blastoporo
28
Endodermo Arquenterón
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES
Las principales fuentes de las células madre que los investigadores han cultivado y diferenciado para ser trasplantadas en las personas que presentan alguna de las enfermedades que así lo requieren, son los embriones en sus fases de desarrollo iniciales, la médula ósea y las células sanguíneas de la placenta obtenidas a través del cordón umbilical.
flota el nuevo organismo durante su desarrollo), en el momento del parto, así como también durante la amniocentesis (procedimiento a que son sometidas algunas mujeres en gestación alrededor de la semana 16 de su embarazo, con el propósito de detectar en su hijo alguna alteración hereditaria). Este grupo de científicos logró diferenciar estas células troncales en diferentes tipos de células, las cuales fueron trasplantadas en ratones que presentaban daños en esos tejidos.
En la revista Nature Biotechnology, publicada al inicio de 2007, se divulgó que un grupo de investigadores estadounidenses, encabezado por Anthony Atala, director del Instituto de Medicina Regenerativa Wake Forest, descubrieron células troncales pluripotenciales en el líquido amniótico.
Esta nueva fuente de las células pluripotenciales representa una mejor alternativa que las que se obtienen de los embriones, ya que este procedimiento se ha restringido en muchos países, por la polémica que ha generado el hecho de destruir el embrión en su fase de blastocisto o blastocito, aun con fines terapéuticos.
Los investigadores detectaron la presencia de células madre o troncales, como también se les llama a estas células no diferenciadas, en muestras tomadas del líquido amniótico (que es donde
Evaluación formativa Relaciona ambas columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponda a la respuesta correcta. (
) Resulta de la fecundación del óvulo.
(
) Son las células que resultan de las divisiones mitóticas del óvulo fecundado.
(
) Pequeña masa celular (de 16-32 células aproximadamente) que se forma después de la segmentación.
(
) Etapa del desarrollo en mamíferos que consiste en una masa celular interna y una cavidad llena de líquido.
(
) Etapa del desarrollo en que se forman las tres capas embrionarias.
(
) Capa germinal a partir de la cual se forma la notocorda y la piel.
(
) Capa germinal a partir de la cual se origina el epitelio del tubo digestivo.
(
) Masa celular externa del blastocisto que da origen a la placenta.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Células madre Las células del epiblasto son también conocidas como células madre embrionarias (Embrionic Stem Cell), ya que son totipotenciales; es decir, tienen la capacidad (o potencial) de desarrollar todo tipo de células, órganos y sistemas de un organismo. Las células de las capas germinales (ectodermo, mesodermo o endodermo) son llamadas células madre pluripotenciales, ya que son capaces de desarrollar muchos (pluri), aunque no todos, tipos de sistemas u órganos. Existe otro tipo de células madre llamadas órgano específicas, que se derivan de las capas germinales embrionarias y dan lugar a una línea o líneas de células. Por ejemplo, las células madre de la médula ósea pueden generar toda la serie celular sanguínea y del sistema inmune. Por tanto, se dice que estas células son multipotenciales. 29
Trofoblasto Blastocisto Cigoto Ectodermo Mesodermo Endodermo Blastómeras Capa hipoblástica Gástrula Mórula
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Evaluación formativa Parte I. Investiga cuáles han sido los resultados sobre la utilidad médica de las células madre, menciona al menos cinco de los beneficios que han de tenerse en cuenta para aquellos que así lo requieran. Coméntalo con tus compañeros y mencionen qué pueden hacer para que en un futuro sea utilizado como medio de mejora o solución en la salud de algún familiar. Parte II. Completa las oraciones.
Desarrollo de tejidos animales y vegetales Tejidos animales NERVIOSO Al inicio de la tercera semana, la capa del ectodermo comienza a formar una zona engrosada llamada placa neural, después los bordes de esta placa se levantan y forman los pliegues neurales, los cuales se elevan más, se acercan uno con otro (como la tortilla en un taco, pero sin sobreponerse) y finalmente se fusionan para formar un tubo llamado tubo neural. Es a partir de este tubo neural que se desarrollan tres vesículas primarias y dos flexuras, el resto del tubo (su pared) está formado por células neuroepiteliales. Las vesículas son tres: prosencéfalo, mesencéfalo y rombencéfalo (fig. 1.35):
1. Las células madre embrionarias son __________________, porque tienen la capacidad de desarrollar todo tipo de células que dan origen al organismo. En cambio, las células de cada una de las capas germinales, por tener la capacidad de desarrollar muchos tejidos, mas no el organismo completo, se les llama __________________.
Cuadro 1.1
Desarrollo embrionario del sistema nervioso de los vertebrados.
Metencéfalo
Puente de Varolio, Cerebelo
Mielencéfalo
Médula oblonga
a) Telencéfalo. Dará origen a los hemisferios cerebrales (izquierdo y derecho). El hemisferio izquierdo está relacionado con el pensamiento analítico, lógico, lenguaje, ciencia y matemáticas. Por su parte, el hemisferio derecho se relaciona con el pensamiento intuitivo, de la creatividad, con el arte y la música.
Acueducto cerebral
b) Diencéfalo. Dará origen a la formación de los ojos, la hipófisis, el tálamo, hipotálamo y la epífisis (glándula pineal). La interacción entre el hipotálamo y la hipófisis se denomina eje talámico-hipofisiario, y es el comando central de toda la red hormonal (metabólica y sexual), ya que en este eje se producen algunas hormonas, pero más importante es que se mandan señales químicas hacia otras glándulas para que elaboren sus hormonas.
Diencéfalo Ponte Bulbo
Regiones del encéfalo.
Tálamo, glándula pineal, hipotálamo
1. Prosencéfalo o cerebro anterior (de enfrente). Se subdivide en:
Cuarto ventrículo
Figura 1.35
Diencéfalo Mesencéfalo
Rombencéfalo (cerebro posterior)
Telencéfalo
Mesencéfalo
Cerebro
Mesencéfalo (cerebro medio)
2. Las células que se obtienen de la placenta pueden generar células sanguíneas, y por eso son llamadas ______________.
Tercer ventrículo
Telencéfalo Prosencéfalo (cerebro anterior)
Cerebelo
Por su parte, la epífisis está relacionada con señales como la vigilia y el sueño, entre otras. 2. Mesencéfalo o cerebro medio. Medirá en etapa adulta aproximadamente 2 cm, y formará (junto con el bulbo raquídeo y 30
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES otros elementos) el tronco encefálico, que es la unión del encéfalo con la médula espinal. Dentro de sus funciones estarán el control de la vista y el movimiento y otros procesos sensoriales. 3. Rombencéfalo o cerebro posterior (de atrás). Se divide en dos partes: a) Metencéfalo. Dará origen a la protuberancia y al cerebelo. La protuberancia recibe señales provenientes de la vista, las cuales procesa para coordinar el movimiento de los ojos y el desplazamiento del cuerpo. Por otra parte, manda estas señales hacia el cerebelo para que esté al tanto de la coordinación psicomotriz fina y de la gruesa (tono muscular esquelético, coordinación de desplazamiento y equilibrio). Por ejemplo, para escribir, amarrarse las agujetas o comer con cubiertos se requieren funciones de coordinación fina tanto de la vista, como del equilibrio y movimiento-desplazamiento. La coordinación psicomotriz gruesa se requiere para movimientos como caminar, saltar o correr. En caso de daño al cerebelo u otra zona del rombencéfalo (e incluso del resto del encéfalo) se produciría la incoordinación, tanto fina como gruesa. b) Mielencéfalo. Dará origen al bulbo raquídeo (antes llamado médula oblonga u oblongada), el cual se unirá a la médula espinal. Dentro de sus funciones está controlar la respiración, deglución, tos, hipo, estornudo, circulación sanguínea y frecuencia cardiaca, así como el tono muscular. Las flexuras darán origen a la médula espinal y las células neuroepiteliales producirán el resto de las células del sistema nervioso.
Muscular Los diferentes tipos de músculo derivan del mesodermo, el liso de la hoja esplácnica del mesodermo, el cardiaco del mesodermo esplácnico, el músculo esquelético del mesodermo paraxial. Existen excepciones a la regla y son algunos músculos pequeños como el iris, los músculos de las glándulas mamarias y sudoríparas, que derivan del ectodermo. Las células progenitoras de las musculares se encuentran agrupadas en cúmulos de células llamadas epímero e hipómero. Estas células a partir de la sexta semana (y finales de la quinta) comienzan a diferenciarse y migrar hacia los sitios que ocuparán (después de un largo proceso) como fibras musculares.
Epidérmico La piel es el órgano más grande del cuerpo, cuya extensión aproximada es de 1.6 m. Dentro de sus funciones están la de mantener la integridad estructural del organismo y su impermeabilidad. La piel posee tres capas: la epidermis (la más exterior), la dermis (inmediatamente por debajo de la epidermis) y la hipodermis (debajo de la dermis y formada por tejido adiposo). La epidermis es un tejido epitelial estratificado queratinizado; es decir, está constituida por capas de células que van desde el estrato más bajo (que es el germinativo o productor de las demás células) hasta el estrato córneo, que es el más externo y posee células muertas, rico en una proteína protectora llamada queratina. La dermis está constituida por tejido conectivo y cumple funciones de nutrir a la epidermis y de contener terminaciones nerviosas. La hipodermis está hecha básicamente de tejido adiposo, y por ella llegan los capilares sanguíneos que suben a la dermis y nutren a la epidermis. 31
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA La epidermis proviene del ectodermo y la dermis del mesodermo. Antes de los dos meses el embrión está cubierto por una sola capa de células de origen ectodérmico. Al comenzar el segundo mes las células de estas capas comienzan a dividirse hasta formar un tejido estratificado que es la epidermis embrionaria.
Figura 1.36
La melanina es un pigmento que determina el color de la piel; su mayor o menor concentración es la causa de las variaciones de color en los diferentes grupos étnicos.
En el desarrollo del embrión aparece una estructura llamada cresta neuronal a partir de la cual migrarán células llamadas melanocitos que llegarán a la epidermis al tercer mes. Los melanocitos son células que en la etapa postnatal (después del nacimiento) comenzarán a sintetizar una proteína llamada melanina (fig. 1.36) que será la que dé pigmentación a la piel y la proteja de rayos ultravioleta solares. El grado de pigmentación de la piel es la causa de que haya individuos negros, morenos, blancos, etcétera. Los melanocitos están relacionados con enfermedades como vitiligo (formación de áreas blancas en la piel) y los melanomas (cáncer de piel).
La piel del recién nacido está cubierta por una capa blanquecina llamada vérnix caseosa o unto sebáceo. Esta sustancia está formada por la secreción de glándulas sebáceas de la piel, así como por células epidérmicas descamadas y pelo muerto (embrionario). Su función es proteger la piel embrionaria de laceraciones y del mismo efecto abrasivo del líquido amniótico.
Conectivo La dermis, como ya se mencionó, está constituida de tejido conectivo y se desarrolla a partir del mesodermo. Durante el desarrollo embrionario el mesodermo va formando varias capas (lateral, paraxial, hoja esplácnica, etc.). Es a partir de la lámina lateral del mesodermo y de unas estructuras llamadas dermatomas que surge la dermis. Al tercer y cuarto mes se originan en la dermis unas estructuras llamadas papilas dérmicas, que pueden contener un pequeño capilar o un órgano sensitivo terminal.
Evaluación formativa Parte I. Bajo el esquema de las partes del cerebro, su composición y función de cada una, observa a una persona durante unas horas y establece una relación con las diferentes actitudes que muestra, identifícalas muy bien y explica a qué se debe y si sufre algún tipo de alteración cerebral. Parte II. Relaciona ambas columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponda a la respuesta correcta. (
) Parte del cerebro anterior que da origen a los hemisferios cerebrales.
(
) Protuberancia o vesícula primaria que entre sus funciones está el control visual y los reflejos auditivos.
(
) Parte del cerebro posterior que da origen al bulbo raquídeo.
(
) Capa germinal de la cual derivan los distintos tipos de músculos.
(
) Capa germinal a partir de la cual se forma la epidermis del embrión humano.
32
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Prosencéfalo Mesencéfalo Rombencéfalo Telencéfalo Metencéfalo Mielencéfalo Ectodermo Endodermo Mesodermo
LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES Tejidos vegetales: meristemático, epidérmico, vascular y fundamental En su proceso evolutivo, las plantas fueron desarrollando diversos tipos de tejidos, grupos de células similares especializadas en funciones específicas. Algunos de esos tejidos son los meristemáticos, epidérmicos, vasculares y fundamentales.
Evaluación formativa
Recibe el nombre de meristemo las zonas específicas donde las plantas crecen, por la división de sus células. Las células meristemáticas sólo se encuentran en las plantas vasculares y su función es hacerlas crecer. Por eso las células de este tejido se dividen permanentemente. Las células meristemáticas son pequeñas, de pared delgada y de forma poliédrica (de muchos lados), con un núcleo grande. Estos tejidos son clasificados en meristemos primarios o apicales y secundarios o laterales.
Parte I. Identificación de tejido vegetal. Mediante una sencilla práctica de laboratorio, identifica a través de observaciones microscópicas los tejidos de meristemos primarios, parénquima y xilema, empleando cortes finos de raíz de cebolla, de hojas delgadas y de tallos tiernos. Elabora un reporte de la práctica especificando la importancia de cada tejido observado.
Los meristemos primarios o apicales se derivan del embrión, se localizan en los extremos de las raíces y de los tallos y hacen crecer a la planta en longitud.
Parte II. Escribe en el paréntesis la respuesta correcta para cada una de estas preguntas.
Los meristemos secundarios o laterales se forman por división de las células de la planta al hacer que aumente de diámetro, es decir, un incremento en su grosor. Se presenta especialmente en gimnospermas y dicotiledóneas.
1. Tejidos que hacen crecer la planta a lo largo. (
TEJIDO MERISTEMÁTICO
)
a) Secundarios b) Primarios
TEJIDO EPIDÉRMICO Este tejido forma la epidermis, capa de células continuas, que presentan estomas y cubren el cuerpo de la planta (hojas, tallos, flores, frutos, semillas y raíces). Como una adaptación en su transición del medio acuático al terrestre, las plantas desarrollaron una capa impermeable llamada cutícula que cubre su superficie área. La cutícula está conformada por cutina, un compuesto ceroso que evita la pérdida de agua y gases en la planta. A partir de las células que cubren la raíz se suelen formar los pelos radicales o tricomas, que son ramificaciones finas con funciones de absorción o sujeción. En tallos y raíces de plantas leñosas, el tejido epidérmico es sustituido por capas externas protectoras de células de corcho llamadas peridermis. En el interior de la raíz se forma una capa interna de células compactas llamada endodermis, en cuyas paredes llevan un refuerzo ceroso llamado banda de Caspary.
c) Epidérmicos d) Vasculares 2. Tipo de tejido fundamental localizado en la mayor parte de la planta, algunos son fotosintéticos, otros almacenan nutrientes. ( a) Parénquima b) Colénquima c) Esclerénquima d) Endodermis 3. Es la función del xilema. ( )
TEJIDO VASCULAR
a) Cubrir el cuerpo de la planta
Este sistema de tejido tiene como función el transporte de sustancias nutritivas a todo el cuerpo de la planta. El tejido vascular se divide en xilema y floema.
b) Sostener tallos y peciolos
Xilema, está formado por traqueidas y elementos de los vasos, que se encargan de transportar agua y minerales (savia bruta) de las raíces a las hojas y tallos jóvenes verdes de la planta. Floema, está compuesto por células del tubo criboso y placas cribosas que conducen compuestos orgánicos, particularmente carbohidratos (savia elaborada) que la planta produce por fotosíntesis, a diferentes partes de su cuerpo.
TEJIDO FUNDAMENTAL Es el tejido que forma la mayor parte del cuerpo de los grandes árboles y se compone de tres tipos de tejido: parénquima, colénquima y esclerénquima. 33
)
c) Transportar agua y minerales d) Conducir compuestos orgánicos
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Actividad con TIC Organizate con tu equipo de biología e investiguen en revistas de divulgación científica, por ejemplo, ¿Cómo ves?, Ciencia y desarrollo e Investigación y ciencia, entre otras, así como en Internet, información sobre la aplicación que tienen las células madre en la medicina y con ella elaboren un periódico mural, indicando los beneficios que se tienen.
El parénquima se encuentra en la mayor parte de la planta, sus células son de pared delgada y con muchos lados (poliédricas). En éstas se efectúan procesos metabólicos de la planta como respiración, digestión y, en las que contienen clorofila, se realiza la fotosíntesis. Otras desempeñan la función de almacenamiento de nutrientes o procesos de secreción. El colénquima lo forman células alargadas y poliédricas de pared gruesa, especialmente en sus aristas. Es un tejido de sostén localizado en nervaduras de las hojas o regiones alargadas como tallos jóvenes y pecíolos. El esclerénquima tiene las paredes de sus células engrosadas y endurecidas por lignina (sustancia que le confieren rigidez y resistencia), que le proporcionan al tejido la función de soporte y resistencia mecánica. Sus células se presentan como fibras y esclereidas, estas últimas llamadas también células pétreas. Las fibras de algunas plantas como las del henequén y el yute son utilizadas para fabricar cuerdas. Las esclereidas se encuentran en tallos y raíces, así como en la corteza dura de semillas y de algunos frutos.
Cultivo de tejidos y sus aplicaciones Aislar las células pluripotenciales para su cultivo en medios apropiados es una nueva técnica que ha permitido producir tejidos específicos con fines terapéuticos. Como ya se ha explicado, las primeras células que resultan de la división del óvulo fecundado reciben el nombre de células madre o troncales totipotenciales, porque tienen la capacidad de formar un organismo humano completo. Las que se producen en etapa posterior ya no tienen la capacidad de formar al individuo completo, sin embargo, generan cualquier tipo de célula. A estas células se les llama pluripotenciales. Además, los órganos y tejidos con los que se nace, conservan cierta dotación de células llamadas multipotenciales, que sirven para restaurar los posibles daños en dichos órganos y tejidos. Los investigadores están empleando las células troncales sanguíneas, obtenidas de la médula ósea o de la placenta, tomadas del cordón umbilical y últimamente también del líquido amniótico (en el cual flota el embrión durante su desarrollo), para cultivarlas y por medio de una diferenciación (especialización) dirigida obtener el tejido deseado para su trasplante en casos de enfermedades como la leucemia, en la que se presenta una acumulación de leucocitos (glóbulos blancos) y una baja concentración de eritrocitos (glóbulos rojos) y plaquetas en la sangre.
34
Evaluación sumativa Parte I Contesta en forma breve estas preguntas. 1. ¿Por qué se afirma que en un inicio los estudios biológicos fueron descriptivos?
2. ¿Cuáles fueron las ciencias que apoyaron el desarrollo de la biología molecular?
3. ¿Por qué fue importante el redescubrimiento del artículo de Gregor Mendel en 1900?
4. ¿Por qué fueron importantes los análisis químicos de Avery, MacLeod y McCarty sobre las transformaciones bacterianas observadas por Griffith?
5. ¿Qué importancia tuvo la aportación de James D. Watson y Francis Crick al desarrollo de la genética molecular?
Parte II Escoge la opción correcta y anótala en el paréntesis. 1. Sus principios se basaron en los mecanismos de la herencia, experimentados con plantas de chícharo.
(
)
(
)
(
)
(
)
5. Era la razón por la que las bacterias no patógenas (R) se transformaban en virulentas (S), según los experimentos de Griffith. (
)
a) Gregor Mendel
b) Walter S. Sutton
c) Thomas H. Morgan
d) Alexander Fleming
2. Al comprobar que los genes que determinan el color de los ojos de las Drosophila se localizan en los cromosomas X descubre los caracteres ligados al sexo. a) Hugo de Vries
b) Carl Correns
c) Walter Sutton
d) Thomas Morgan
3. Bacteriólogo escocés que en forma accidental descubrió la acción bactericida del hongo Penicillium. a) Frederick Griffith
b) Alexander Fleming
c) Nettie M. Stevens
d) Ivan Pavlov
4. Su aportación al desarrollo de la biología fue su teoría sobre el origen abiótico de la vida. a) Alexander Fleming
b) Alexander I. Oparin
c) Edmund B. Wilson
d) Oswald T. Avery
a) Porque incrementaban su población
c) Porque se volvieron más selectivos
b) Por el material genético de las bacterias S muertas
d) Porque adquirieron nuevas proteínas
6. Descubrieron que un gen codificaba la producción de una determinada enzima. a) Beadle y Tatum
b) Hershey y Chase
c) Avery y McLeod
35
( d) Wilson y Stevens
)
7. Técnica aplicada por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins que reveló los giros en forma de hélice del ADN.
(
)
(
)
(
)
10. Programa de investigación que tiene como propósito descifrar la secuencia de nucleótidos del ADN de los genes humanos, la ubicación de éstos y su funcionamiento. (
)
a) De fijación
c) De inclusión y tinción
b) De difracción de rayos X
d) De coloraciones vitales
8. Es una doble cadena de nucleótidos en forma de hélice. a) El ARN
b) El ADN
c) El ATP
d) El ADP
9. Proceso cuyo descubrimiento superó el dogma central de la biología molecular. a) La replicación por autocopia del ADN b) La transcripción de los genes a ARNm tomando como molde el ADN c) Síntesis de ADN dirigida por ARN en retrovirus d) La traducción a proteínas por el ARNt en los ribosomas
a) Proyecto genoma humano
c) Sobre la biotecnología
b) La tecnología del ADN recombinante
d) Sobre la clonación de humanos
Parte III Relaciona ambas columnas, escribiendo en cada paréntesis el número de la respuesta correcta. (
) A las pequeñas cavidades de cortes de corcho que observó le llamó células.
1. Coloraciones vitales
(
) Comerciante danés que con una lupa observó por primera vez bacterias, protistas y espermatozoides.
2. Amplificación
(
) Tipo de microscopio formado esencialmente de un tubo con dos sistemas de lentes: ocular y objetivo.
(
) Es la calidad óptica en la que se distinguen dos puntos cercanos como imágenes separadas
3. Poder de resolución 4. Anton van Leeuwenhoek 5. Robert Hooke 6. Estereoscópico
(
) Es el tipo de microscopio que se emplea en trabajos de disección
7. Óptico
(
) Tipo de microscopio que utiliza la interferencia entre ondas de luz para observar los movimientos de las estructuras internas de las células vivas
8. Electrónico
(
) Microscopio con un poder de resolución muy superior al del microscopio óptico y que se emplea para observar sólo muestras fijas y teñidas
(
) Teoría que propuso que la célula es la unidad estructural y funcional de los organismos, que se forma a partir de otra célula existente
9. De contraste de fase 10. Celular 11. De campo oscuro 12. De coloración post mórtem
(
) Técnicas que se emplean para teñir las estructuras de las células vivas
13. Planteamiento del problema
(
) Paso del método científico en el que la hipótesis se somete a prueba
14. Experimentación
36
Parte IV Contesta brevemente: 1. Describe la estructura de la membrana plasmática, según el modelo del mosaico fluido.
2. Define el transporte por ósmosis.
3. ¿Qué diferencias hay entre la difusión y la difusión facilitada?
4. ¿Qué diferencias hay entre transporte pasivo y transporte activo?
Parte V Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis. 1. Proceso que se genera cuando la proteína receptora de la membrana de la célula blanco recibe una molécula hormonal.
(
)
(
)
(
)
(
)
5. Se desarrolla cuando existe exceso de iones positivos fuera de la membrana plasmática y exceso de iones negativos dentro. (
)
a) Inhibe toda reacción química en la célula
c) Destruye la membrana celular
b) Desencadena las reacciones químicas en la célula
d) Protege las estructuras internas de la célula
2. Sistema nervioso formado por el encéfalo y la médula espinal. a) Periférico
b) Central
c) Somático
d) Autónomo
3. Es la prolongación de la neurona encargada de transmitir el impulso nervioso hacia otra neurona a) Soma
b) Pericarion
c) Dendritas
d) Axón
4. Producen la vaina de mielina que funciona como aislante de los axones en el sistema nervioso periférico. a) Dendritas
a) Potencial de reposo
b) Terminales sinápticas
c) Células de Schwann
b) Potencial de equilibrio
c) Despolarización
d) Astrocitos
d) Repolarización
6. Es el cambio transitorio en el potencial eléctrico a través de la membrana de la neurona durante un impulso nervioso. a) Potencial de reposo
b) Potencial de acción
c) Potencial eléctrico
37
d) Potencial osmótico
(
)
7. Es el contacto que se establece entre las neuronas para transmitir el impulso nervioso. a) Hiperpolarización
b) Despolarización
c) Sinapsis
b)
c)
ATP
ADP
b) Dopamina
c) Noradrenalina
(
)
(
)
d) Neuropéptidos
9. Principal neurotransmisor, participa en sinapsis neuromuscular voluntarias y en sistema nervioso autónomo. a) Acetilcolina
)
d) Excitación
8. Moléculas que sirven para la transmisión del impulso nervioso entre la neurona y la célula efectora. a) Neurotransmisores
(
d) Adrenalina
Parte VI Relaciona ambas columnas. Escribe en el paréntesis de la izquierda el número que corresponda. (
) Célula diploide que resulta de la unión de gametos haploides en la reproducción sexual.
1. Mórula
(
) Nombre del embrión en su fase de una masa de 16 a 32 blastómeros.
2. Blastocisto
(
) Fase del embrión en mamíferos, en la que adquiere la forma de una esfera con una masa celular interna y una cavidad llena de líquido.
3. Gástrula
(
) Capa celular externa del blastocisto tardío que da origen al corion, a partir del cual se forma la placenta.
(
) Fase del desarrollo embrionario en la que por diferenciación celular se forman las tres capas embrionarias.
4. Cigoto 5. Trofoblasto 6. Ectodermo 7. Endodermo
(
) Capa embrionaria que da origen a la piel y al sistema nervioso.
8. Totipotenciales
(
) Nombre que reciben las células embrionarias por su capacidad de dar origen a todo el organismo.
9. Multipotenciales
(
) Estructura embrionaria que desarrolla tres protuberancias o vesículas primarias que dan origen al sistema nervioso central.
(
) Subdivisión del prosencéfalo que da origen al cerebro y los bulbos olfatorios.
(
) Es una de las fuentes de las células sanguíneas que se trasplantan en casos de leucemia.
10. Tubo neuronal 11. Diencéfalo 12. Telencéfalo 13. Placenta
Parte VII Completa estas expresiones escribiendo la palabra o palabras que faltan: Los meristemos apicales hacen crecer la planta __________________, en cambio, los __________________ hacen que aumente de diámetro. El tejido formado por capa de células que cubre el cuerpo de la planta es __________________, el que está formado por traqueidas y elementos de los vasos, encargados de transportar la savia bruta es __________________. El tejido con células de paredes endurecidas por lignina que les dan la función de soporte y resistencia mecánica es __________________.
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LA BIOLOGÍA ACTUAL Y LOS PROCESOS CELULARES
PASOS PARA HACER UN PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS 1. En una computadora crea una carpeta con el título de Temas Selectos de Biología. 2. Dentro de la carpeta crea otra con tu nombre y el Bloque 1. 3. Dentro de la carpeta Bloque 1 guarda las evidencias que te indique tu profesor. 4. Cuando tu profesor te lo indique le envías por correo electrónico los archivos. Si no tienes computadora, consíguete una carpeta tamaño carta, ponle una etiqueta con el nombre de Temas Selectos de Biología, tu nombre y grupo. En ella vas a guardar los resultados de tu investigación, tus resúmenes, los cuestionarios y las respuestas correspondientes; todo ese material debes clasificarlo por el bloque y tema que correspondan. Preséntaselo a tu profesor cuando te lo solicite.
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Biología molecular y la biodiversidad en México Sesiones asignadas:
BLOQUE Objetos de aprendizaje
28
2
1. Respuesta inmune y defensas 2. Enzimas 3. Ácidos nucleicos 4. Biotecnología 5. Biodiversidad
Atributos de las competencias 1.1 Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.
5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.
4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas.
5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.
4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.
5.5 Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.
5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.
6.4 Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.
Competencias
En contacto con tus conocimientos
Explica la importancia de la Biología molecular en el campo de la inmunología, las enzimas, la Biotecnología y la Biodiversidad de México, mediante el estudio de los beneficios y las implicaciones éticas, mostrando una actitud de respeto y cooperación para preservar nuestro medio.
Contesta en forma breve las siguientes preguntas 1. ¿En qué consisten los mecanismos del sistema inmune? 2. ¿Qué diferencias hay entre antígenos y anticuerpos? 3. ¿Por qué resulta importante respetar la compatibilidad sanguínea y del factor Rh en transfusiones y trasplantes? 4. ¿Qué son las vacunas? 5. ¿Qué importancia tienen las enzimas en los procesos biológicos? 6. ¿Cuál es la estructura y función de la molécula que forma los genes? 7. ¿Cuál es la función que desempeña el ARN? 8. ¿Qué relación hay entre el cáncer y los controles de división y muerte celular programada? 9. ¿En qué consiste la tecnología del ADN recombinante y qué importancia tiene? 10. ¿Qué son los organismos transgénicos? 11. ¿Cuáles son los factores que contribuyen a que México sea un país megadiverso?
7.3 Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
12. ¿Qué tipos de adaptación han desarrollado las plantas y animales que más conoces de tu región? Cita ejemplos. 13. ¿Por qué en algunas regiones del mundo la biodiversidad es más alta que en otras? Fundamenta tu respuesta y cita ejemplos. 14. ¿Cuáles son los factores físicos que contribuyen a que la biodiversidad sea elevada en el noroeste del Océano Pacífico? 15. ¿Qué medidas propones para lograr una adecuada conservación de la biodiversidad de tu región?
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Situación didáctica
¿Cómo lo resolverías?
¿Qué semejanzas y diferencias había entre la hipótesis de Maupertuis y el principio genético actual? Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759) fue un francés que en el siglo XVIII (en 1745) desarrolló teorías sobre procesos de la herencia con conceptos muy adelantados a su época. Maupertuis se oponía a la hipótesis de la preformación muy divulgada entonces, la cual sostenía que el espermatozoide, al ser expulsado, ya contenía un embrión que se desarrollaba en el útero de la mujer; su rechazo a esta hipótesis era por la evidencia de que los hijos también heredan características de la madre y no solamente del padre.
Secuencia didáctica
Para explicar cómo se transmiten los caracteres de los progenitores a los descendientes propuso que los dos progenitores proporcionan semen compuesto por partículas de la herencia, las cuales se producían en distintas partes del cuerpo, para después llegar a los órganos reproductores; estas partículas tenían como función formar una parte específica del cuerpo. Por lo que, para cada parte del cuerpo habría dos partículas, una procedente del padre y otra de la madre, una de ellas podría manifestarse y la otra ocultarse, por eso los descendientes pueden exhibir una característica que sólo posee uno de sus progenitores.
¿Qué tienes que hacer?
Para poder contestar la pregunta de la situación didáctica realiza las siguientes actividades. De manera individual investiga: 1. ¿Qué son los ácidos nucleicos y que importancia tienen? 2. ¿Cuál es la estructura y función del ADN en las células? 3. ¿Cuál es la estructura del ARN y cómo funciona en la síntesis de proteínas? 4. ¿En qué consiste el modelo del proceso del operón y cuál es su importancia? Intégrate a tu equipo y realicen las siguientes actividades: • Cada miembro del equipo dará a conocer los resultados de su investigación, de manera que tengan la posibilidad de intercambiar y enriquecer los conceptos sobre los ácidos nucleicos. Es importante tomar en cuenta que por medio del trabajo en equipo se logran objetivos comunes, lo que se traduce en una interacción positiva con los demás estudiantes del grupo, para ello debe ser de primordial interés para los miembros del equipo realizar cabalmente su actividad de manera exitosa, para así alcanzar las metas de manera compartida. • El equipo elaborará sus conclusiones sobre esta investigación para una presentación grupal posterior.
Rúbrica
¿Cómo sabes que lo hiciste bien?
• Solicitar a cada equipo la investigación documental sobre los ácidos nucleicos (estructura, función e importancia). • Con el empleo de carteles o cualquier otro material gráfico participar por equipo en la presentación del trabajo frente al grupo. • Para la coevaluación de la actividad se intercambiará el formato de la rúbrica (semejante al modelo anexado al final del bloque) con el de otra compañera o compañero, con la finalidad de que emita de manera responsable una valoración de los aspectos allí referidos, reservándose sus observaciones para discutirlas al final de la clase. 42
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
1. RESPUESTA INMUNE Y DEFENSAS Todos los organismos en su medio natural se hallan en contacto con diversos microorganismos, muchos de éstos patógenos; es decir, producen enfermedades. Sin embargo, los animales, en especial los vertebrados, han desarrollado diversos y complejos mecanismos de protección e inmunidad que representan aspectos importantes de su sistema homeostático. A través de éstos se impide que los virus o los microorganismos como bacterias, hongos y protozoarios se dispersen e invadan las células, las destruyan o las envenenen con sus toxinas.
Barreras primarias Con fines didácticos se ha clasificado o mejor dicho, subdividido el sistema inmune en mecanismos de defensa inespecíficos, también llamados barreras innatas o respuesta inmune innata y, por otro lado, los mecanismos específicos denominados también respuesta adquirida o no nata. En la vida real, esta división no se aprecia, ya que muchos de los procesos se sobreponen y se complementan. Por otra parte, el estudio de las barreras primarias o mecanismos inespecíficos de defensa requieren para su mayor comprensión de otra subdivisión, pero de igual forma, en el organismo ésta no se da, es sólo con fines de comprensión. Los mecanismos inespecíficos de defensa poseen las siguientes características: • No son específicos
• No son inducidos
• No tienen memoria
Decir que no son específicos se refiere, por ejemplo, a que una barrera como lo pudiera ser el moco nasofaríngeo, no es fabricada especialmente para un organismo en particular; es decir, su producción y su efecto no está dirigido a un organismo en particular. Para producir dicho moco no se requiere la intervención de células inmunes activadas molecular y específicamente para un microorganismo, como ocurre en el caso de la producción de anticuerpos (mecanismos específicos de defensa); por tanto, se dice que los mecanismos inespecíficos no son inducidos. Ahora bien, en los mecanismos específicos de defensa existen células que poseen una “memoria” molecular o un registro de moléculas componentes de los microorganismos con los que se ha tenido contacto. Esto le ayudará al cuerpo para futuras exposiciones con el mismo microorganismo, como en el caso de las vacunas. Por otra parte, en los mecanismos inespecíficos de defensa no existen tales células de memoria, y las barreras están presentes independientemente del microorganismo que se trate. Como ya se mencionó, para entender más a estas barreras primarias, podemos subdividirlas en los siguientes niveles: 1. Mecanismos inespecíficos a nivel tisular (o de tejido) 2. Mecanismos inespecíficos a nivel celular 3. Mecanismos inespecíficos a nivel molecular Los microorganismos para producir la infección tendrán que pasar, de alguna forma, por los tres niveles de los mecanismos inespecíficos de defensa.
Mecanismos inespecíficos de defensa a nivel tisular Los mecanismos inespecíficos a nivel tisular incluyen la piel, las mucosas y algunos reflejos. 43
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA PIEL Glándula sebácea
Folículo piloso
Epidermis
Dermis
La piel es el órgano más grande del cuerpo, que forma una cubierta protectora y flexible sobre el exterior del mismo manteniendo la integridad estructural contra laceraciones (cortadas) producidas por el uso cotidiano. Es impermeable y sufre un proceso de descamación continua, lo cual previene el asentamiento de microorganismos (fig. 2.1).
En la piel hay glándulas que previenen las infecciones. Las glándulas sebáceas producen ácidos grasos insaturados, los cuales funcionan como factores inhibidores de crecimiento de microorganismos. Las glándulas sudoríparas producen sudor, el cual ejercerá un efecto mecánico de “barrido” para remover las partículas y microorganismos y dificultar su colonización. El sudor también posee un alto contenido ácido láctico, que funciona como factor inhibidor del crecimiento de bacterias. Glándula sudorípara
Figura Fig igura ura 2 2.11
Dermis y epidermis. La piel.
La piel cuenta con flora normal, un grupo de bacterias que cohabitan en ella, en una relación simbiótica; es decir, no nos producen daño y se alimentan de las secreciones de la piel e inhiben el crecimiento de otros microorganismos por competencia alimentaria.
TAPETE MUCOCILIAR La mucosa del tracto respiratorio superior y parte del inferior, es decir, desde las fosas nasales hasta la tráquea (excluyendo bronquios, bronquiolos y pulmones) poseen un epitelio con pequeños cilios que se mueven en dirección contraria a la entrada del aire, este epitelio está bañado por el moco y a todo en conjunto se le ha denominado tapete mucociliar. Éste atrapa y remueve partículas extrañas (como las bacterias y el polvo) que pudieran llegar al tracto respiratorio inferior y producir enfermedades como neumonía (fig. 2.2).
Figura Fig igura ura 2 2.2 2
Figura 2.3 23
Tapete mucociliar.
Estornudo, tos y vómito, reflejos que permiten eliminar ciertos microorganismos patógenos. 44
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO REFLEJOS Existen reflejos que pueden ayudar a retirar partículas extrañas como bacterias, polvo, virus e incluso toxinas. El estornudo, por ejemplo, puede ayudar a remover partículas que irritan la mucosa nasal, la tos por su parte, es sensible al estímulo de la mucosa faríngea, y el vómito es una respuesta que se puede deber a múltiples factores, entre ellos la presencia de bacterias y sus toxinas en el tracto gastrointestinal (fig. 2.3). De igual forma, la diarrea pudiera considerarse como un mecanismo de defensa aunque no es del todo producida por el propio individuo. En casi todos los casos es producida por el efecto de las propias toxinas bacterianas y que en ocasiones pudiera representar un evento desfavorable para el paciente, a tal grado que estuviera comprometida la vida del mismo, como ocurre en los pacientes infectados con cólera (Vibrio cholerae) y que no son tratados.
Mecanismos inespecíficos de defensa a nivel celular La flora microbiana, integrada por microorganismos que viven normalmente en los intestinos, en la piel y en la vagina, evita el desarrollo de microorganismos patógenos por medio de la competencia alimentaria, también los elimina a través de las sustancias que secreta. Sin embargo, la principal serie de eventos que ejemplifican los mecanismos de defensa inespecíficos a nivel celular, son los ocurridos en la inflamación, durante la cual participan los macrófagos (un tipo de glóbulos blancos), que tienen la capacidad de fagocitar bacterias. La inflamación transcurre conectando todos los niveles de la respuesta inespecífica y, por si fuera poco, es considerada un puente entre la respuesta inespecífica y la específica. Es tan amplia e interesante que se le ha dedicado un apartado de este bloque, que veremos más adelante.
Mecanismos inespecíficos de defensa a nivel molecular Existen diversas moléculas que funcionan como mecanismos de defensa; como ya hemos visto, dichas moléculas interactúan a nivel tisular, por ejemplo el tapete mucociliar o el ácido láctico del sudor o los ácidos grasos insaturados de las glándulas sebáceas.
LISOZIMA En las secreciones de diversas mucosas, como las conjuntivales (lágrimas), la mucosa nasal, intestinal y saliva, existe una enzima, lisozima, también se encuentra en los lisosomas de los macrófagos, como se verá más adelante. La actividad de la lisozima es romper un enlace glucosídico (carbohidratos) denominado β1-4. Tal enlace se encuentra en la pared celular de las bacterias. Existen dos tipos de pared celular bacteriana, las Gram positivas y las Gram negativas, su diferencia estriba en los componentes moleculares que las conforman; y aunque ambas pudieran ser sensibles al efecto de la lisozima, las Gram negativas poseen cierta resistencia, ya que en su pared existe además una membrana externa que la cubre (a diferencia de las Gram positivas que carecen de ésta); por tanto, las Gram positivas suelen ser más sensibles a la lisozima (fig. 2.4).
Ácido teicoico Ácido teicurónico
LPS Membrana externa
N - Acetil glucosamina y N - Acetil murámico β 1- 4
Gram positiva
Gram negativa
Figura 2.4
Composición molecular de la pared celular bacteriana, de Gram positivas y Gram negativas.
45
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Evaluación formativa Después de haber analizado algunas de las aplicaciones de la biología, relaciona los siguientes enunciados con un caso de la vida real (puede ser de algún familiar o conocido) en el que identifiques cómo o en qué momento se manifiesta cada uno. Elabora un reporte y compártelo con tus compañeros de clase, explicando tus conclusiones del trabajo. 1. Barreras primarias de defensa no específicas. 2. Acción protectora de la piel como barrera primaria. 3. Los reflejos ayudan a expulsar cuerpos extraños del organismo. 4. Importancia que tiene la fagocitosis que realizan los macrófagos tisulares como mecanismo de defensa de nivel celular. 5. Acción de la enzima lisozima como defensa del nivel molecular.
Respuesta inflamatoria Supongamos que un niño explora un jardín y al bajar la mano para tratar de arrancar una flor se le entierra una espina que estaba en el lodo. El niño llora, pero por miedo a que su mamá se entere de que estaba cortando las flores del jardín no le comenta nada. El escenario anterior es idóneo para ejemplificar la serie de eventos que ocurren durante la inflamación en ausencia de tratamiento.
Inflamación aguda Cuando un microorganismo encuentra la puerta de entrada a nuestro cuerpo, inmediatamente se despertarán señales de alerta que conducirán a una serie de eventos como mecanismos de defensa, entre éstos uno de los más importantes, que en muchos de los casos se manifiesta, es la inflamación. Cuando un objeto contaminado atraviesa la piel facilita la penetración de diferentes microorganismos. Supongamos que en este caso penetran sólo bacterias; éstas primero se adaptarán a su nuevo hogar. Recordemos que antes se encontraban en el lodo frío y en condiciones alimenticias y climáticas variables. Ahora han llegado a un nuevo medio de temperatura constante y con abundancia nutricional (fig. 2.5). Las bacterias entonces se alimentarán de tejido vivo y producirán la lisis, o destrucción, de éste. Después, las bacterias generarán metabolitos de desechos, los cuales junto con moléculas provenientes del tejido dañado darán la señal a nivel molecular de que el tejido ha sido infectado. A este estímulo químico se le denomina quimiotaxis (fig. 2.6).
Figura 2.5
Bacterias llegando a tejido sano posterior a una laceración (cortada) contaminada.
Figura 2.6
Sustancias quimiotácticas bacterianas, derivadas del complemento y por lesión tisular.
En el proceso de quimiotaxis las señales químicas atraerán al sitio de infección a células de defensa provenientes de los vasos sanguíneos. Aunque además de las células de defensa sanguínea existen células de defensa en los tejidos.
Figura 2.7
Llegan macrófagos tisulares. 46
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Figura 2.8
Figura 2.9
Figura 2.10
Neutrófilo
Fenómeno de diapédesis.
Fagocitosis.
Las células de defensa tisular (de tejido) se denominan macrófagos tisulares (fig. 2.7) y son la primera línea de defensa a nivel local. Por otra parte, las principales células de defensa que llegan provenientes de los vasos sanguíneos, en caso de infección bacteriana, será un tipo de glóbulo blanco (leucocito) denominado neutrófilo (fig. 2.8). Los neutrófilos poseen un núcleo con varios lóbulos que da la apariencia de estar segmentado o como si fueran varios núcleos, por lo que se le ha denominado también polimorfonuclear, y como posee en su citoplasma gránulos que al teñirlos muestran afinidad ácida (acidófilos) y otros con afinidad alcalina (basófilos) también se les ha llamado granulocito neutrófilo (ácido y alcalino).
Bacteria
Pseudópodo
Fagosoma Fagolisosoma
Unión del lisosoma al fagosoma
lisis bacteriana
Existen tres tipos de granulocitos polimorfonucleares. Los neutrófilos que ya se mencionaron; los que solamente poseen gránulos con afinidad ácida se les llama eosinófilos, y los que se conocen como basófilos tienen gránulos con afinidad alcalina. De todos éstos, los primeros (neutrófilos) desarrollarán un papel importante en esta parte de la inflamación. Para que los neutrófilos puedan abandonar el vaso sanguíneo tendrán que desplazarse entre los espacios que dejan las células que conforman el endotelio o pared de dicho vaso. A este proceso de salida de células a través de los vasos sanguíneos se le denomina diapédesis (fig. 2.9). Una vez que los neutrófilos llegan a tejidos provenientes de la sangre empiezan a verter el contenido de sus gránulos para destruir las bacterias; sin embargo, este mecanismo resulta poco eficiente, ya que a veces se logra destruir además al tejido sano e incluso a los propios neutrófilos. En conjunto con los neutrófilos actúan los macrófagos tisulares, que son más especializados en el proceso de la fagocitosis, que consiste en atrapar a la bacteria, meterla al interior del macrófago y posteriormente destruirla (fig. 2.10). Para entender mejor la fagocitosis se enlistan los pasos que ocurren durante este proceso (fig. 2.11): 1. Opsonización. A la bacteria se le pegan moléculas que facilitan la unión de ésta con la membrana del macrófago. Por ejemplo, y como ya se vio anteriormente, la fracción C3b de complemento funciona como opsonina. 2. Unión con la membrana del macrófago. Este evento puede ocurrir por medio de receptores específicos en la membrana citoplasmática del macrófago. 3. Engolfamiento. La membrana citoplasmática emite proyecciones denominadas pseudópodos, las cuales engolfan o envuelven la bacteria pegada a la membrana del macrófago. 47
Figura 2.11
Mecanismos dependientes e independientes de oxígeno para la destrucción de la bacteria fagocitada.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA 4. Formación del fagosoma. Los pseudópodos de la membrana se fusionan formando una vesícula en el interior del citoplasma del macrófago, que contiene en su interior a la bacteria. 5. Formación del fagolisosoma. Al fagosoma se acercan unas estructuras celulares llamadas lisosomas, las cuales contienen enzimas y productos derivados del oxígeno. A la unión del fagosoma con el lisosoma se le denomina fagolisosoma. 6. Destrucción de la bacteria. Los lisosomas vierten su contenido al interior del fagosoma, produciendo así la destrucción de la bacteria. Existen dos mecanismos de destrucción bacteriana:
Figura 2 2.12 12
La infección persiste y es rodeada por células inflamatorias, macrófagos y neutrófilos principalmente.
Mecanismos dependientes de oxígeno o estallido respiratorio. Consiste en la formación de iones y compuestos derivados de la oxidación de la glucosa. Por ejemplo, el ion superóxido (O2-), iones hidroxilo (OH-) y peróxido de hidrógeno (H2O2). Éstos tienen una alta actividad lítica sobre los diversos componentes de la célula bacteriana. Mecanismos independientes de oxígeno. Ocurren posterior a la acumulación de ácido láctico en el fagolisosoma y por tanto con la disminución del pH, lo cual permitirá la acción de enzimas como la lisozima y otras enzimas hidrolíticas como las proteasas (destruyen proteínas), lipasas (su sitio de acción son los lípidos), etcétera.
Figura 2.13
Células gigantes multinucleadas.
La inflamación aguda es aquella que ocurre durante las primeras horas después de que se dio la lesión, e incluye los procesos de adaptación bacteriana, quimiotaxis, la diapedesis, la migración de neutrófilos desde vasos sanguíneos hacia el tejido infectado, la acción lítica (destructiva) de los neutrófilos y la acción fagocítica de los macrófagos (fig. 2.12). Todos estos eventos producirán en el tejido los llamados signos cardinales de la inflamación: dolor, calor, rubor y tumor. Esto significa que una zona inflamada estará adolorida, caliente, enrojecida (rubor) y aumentada de tamaño (tumor, no confundir con la tumoración maligna también conocida como cáncer o neoplasia).
Inflamación crónica Pese a todo lo ocurrido en la inflamación aguda, algunas bacterias poseen mecanismos para sobrevivir y permanecer infectando al organismo. Por ejemplo, algunas bacterias pueden bloquear la fagocitosis evitando su unión con el macrófago o evitando que se forme el fagolisosoma o escape del fagosoma antes de que se forme el fagolisosoma e, incluso, parasitando al propio macrófago. Si la infección persiste, la inflamación se continúa hacia una fase crónica (por más tiempo) y posteriormente participarán de forma más evidente los mecanismos específicos de defensa. En la inflamación crónica se observa mayor llegada de macrófagos al sitio de infección, los cuales rodearán al proceso, algunos macrófagos se fusionarán para formar una célula multinucleada gigante con mayor capacidad fagocítica (fig. 2.13). Luego aparecerán células llamadas epitelioides (fig. 2.14), que formarán una especie de tejido alrededor del proceso inflamatorio, para ello colaborarán otro tipo de células denominadas fibroblastos, los cuales producen una proteína llamada colágena, que servirá como una red o tejido que rodeará todo el proceso (fig. 2.15). 48
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Fibras de colágena Exudado o pus
Fibroblastos Figura 2.14
Figura 2.15
Células epitelioides.
Granuloma o absceso.
Absceso o granuloma
De esta forma, el foco infeccioso queda encerrado y se evita su propagación; a todo este proceso se le denomina absceso o granuloma (fig. 2.16). Dentro, en el centro del absceso, el aporte de oxígeno y nutrientes es nulo y, por tanto, hay muerte bacteriana y de células del propio organismo, formando entonces una sustancia denominada exudado o pus. Los granulomas se clasifican según el tipo de exudado en: • Granulomas de exudado licuefacto o licuado. • Granulomas con exudado caseificado o en forma de queso cotagge. • Granulomas con exudado calcificado o en forma de yeso. El tipo de exudado y, por tanto, de granuloma, dependerá de diversos factores, por ejemplo, el tipo de bacteria o el tipo de tejido afectado.
Figura Fig i ura 2.16 2 16
Granuloma.
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD Integren equipos de cuatro personas y realicen esta actividad: 1. Investiguen en un Centro de Salud (el más cercano a su municipio, localidad, comunidad o colonia) estas preguntas: • ¿Qué tipo de infecciones contraen con frecuencia las personas? • ¿Qué signos o síntomas presentan? • ¿Qué tratamiento deben seguir para curarse? • ¿Cómo pueden evitar contraer nuevamente la infección? • ¿Qué pasa si no cumplen con el tratamiento completo? 2. Analicen las respuestas obtenidas y relaciónenlas con algún tipo de proceso biológico. 3. Elaboren sus conclusiones y expónganlas en el salón de clases.
49
Evaluación formativa Analiza estas preguntas y responde cada una con ejemplos o situaciones que se presenten en la vida cotidiana. 1. ¿Qué relación hay entre los pseudópodos del macrófago y la formación del fagosoma? 2. ¿Qué le sucede a la bacteria en el interior del fagolisosoma que resulta de la fusión del fagosoma con el lisosoma? 3. ¿Cuáles son los cuatro signos cardinales de la inflamación? 4. ¿Cuáles son algunos de los mecanismos de las bacterias para producir una inflamación crónica?
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Respuesta inmune humoral y celular El sistema inmune está constituido por una serie de órganos y células que intervienen en la respuesta inmune. A dichos órganos se les ha denominado linfoides. Los órganos linfoides poseen una población celular principalmente constituida por un tipo de leucocitos llamados linfocitos. Los órganos linfoides primarios son aquellos en donde se lleva a cabo la linfopoyesis, o sea la producción, diferenciación y maduración de linfocitos. Estos órganos son el timo (en mamíferos), la bolsa de Fabricio (en aves), la médula ósea (dentro de los huesos) y las placas de Peyer (intestino).
Figura 2.17
Las APC presentan el antígeno bacteriano empleando su MHC-II.
Evaluación formativa Parte I. Elabora un análisis comparativo sobre las diferencias que hay entre la respuesta inmune celular TH1 y la respuesta inmune humoral TH2, para cada caso menciona un ejemplo relacionado con tu análisis. Coméntalo con tus compañeros de clase. Parte II. Contesta las siguientes preguntas: 1. ¿Qué diferencias hay en la respuesta inmune entre la activación de los linfocitos TH1 y la de TH2? 2. ¿Qué diferencias hay entre la respuesta inmune celular y la respuesta inmune humoral?
Actividad con TIC Elabora un cuadro comparativo sobre la respuesta humoral y celular del organismo ante un agente patógeno. Cita ejemplos con su experiencia personal.
Los órganos linfoides secundarios son aquellos donde se realiza la respuesta inmune en sí; es decir, ahí va a ocurrir la presentación de antígenos y se va a dar la “dirección o señal” para algún tipo de respuesta en especial, ya sea celular o humoral, como veremos a continuación. Recordemos que desde el inicio de la inflamación se dio el proceso de la fagocitosis. Como ya se mencionó, el microorganismo, en este caso la bacteria, era tomada por el macrófago y envuelta en el fagosoma para después formar el fagolisosoma y finalmente la bacteria era destruida por mecanismos dependientes e independientes de oxígeno. Ahora analizaremos los eventos que sucederán después y a los que se les ha denominado presentación de antígeno. La presentación de antígeno se lleva a cabo en el ganglio linfático, por lo que los macrófagos tienen que viajar desde el sitio de infección, siendo su función principal ahora no la fagocitosis sino la de una célula presentadora de antígeno (APC, por sus siglas en inglés). Existen varios tipos de APC, pero mencionaremos solamente el macrófago. En el interior del macrófago, pequeños fragmentos de proteínas (péptidos o antígenos) de origen bacteriano (de la bacteria destruida) se unirán con un tipo de molécula especial que posee el macrófago denominada Complejo Principal de Histocompatibilidad clase II (MCH-II, por sus siglas en inglés). El MHC-II con el péptido bacteriano unido migrará desde el interior de la célula hacia el exterior, quedando anclado en la membrana citoplasmática del macrófago (fig. 2.17). Ya en el ganglio linfático, las APC (macrófagos) contactan con un tipo de leucocito llamado linfocito TCD4, conocido también como TCD4 o célula T cooperadora (TH). Este linfocito tiene en su superficie una molécula receptora denominada receptor de Célula T (TCR, por sus siglas en inglés). Es el TCR que a manera de mano recibe al MCH-II (de la APC) que también de la misma forma presenta el antígeno bacteriano. Posteriormente, otra molécula del linfocito T llamada CD4 (de ahí recibe su nombre la célula) se pega por uno de los lados al MHC-II de la APC a manera de candado (fig. 2.18). A continuación, la célula CD4 estimulará a cualquiera de dos subpoblaciones de linfocitos TH, conocidos como TH1 y TH2. Por tanto, existen en teoría dos posibilidades: que se active TH1 o que se active TH2. La activación de TH1 se da por las citocinas llamadas IL-12 (interluecina 12), IFNγ (interferón gama) e IL-18 (interleucina 18). La activación de TH2 se da por la interleucina 4 (IL-4). Ahora, lo interesante es que sólo se activará una de las dos y que al hacerlo inhibirá a la otra para asegurar que no se exprese. Esto significa que la TH1 en caso de activarse inhibi50
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Célula presentadora de antígeno (APC)
Linfocito THCD4 Antígeno
APC
MHC-II
TCR
CD4
TH
Receptor de célula T o (TCR)
Figura 2.18
Figura 2.19
Presentación de antígenos.
La activación de TH1 inhibe a TH2 y viceversa.
rá a la TH2 y viceversa. La TH1 lo logra por medio de la producción de IFNγ (interferón gamma) y la TH2 lo logra con la IL-4 e IL-10 (fig. 2.19). Si se activa TH1, producirá una respuesta inmune de tipo celular. Por el contrario, si se activa TH2, producirá citocinas que promuevan una respuesta inmune de tipo humoral (fig. 2.20).
Respuesta inmune celular La respuesta inmune celular es activada por citocinas producidas por TH1: IL-2, IFNγ, TGF-β (factor de crecimiento tumoral tipo beta). El efecto final, en el caso de la infección bacteriana, será la proliferación (aumento en número de células) de macrófagos y, por otra parte, el incremento de su actividad fagocítica. Por otro lado, para la infección viral, la respuesta celular posee características especiales. La activación TH1 conducirá a la estimulación de un tipo de linfocitos T denominado linfocitos T CD8 o T citotóxicos (TC). Este tipo de célula de forma ordinaria y sin intervención de TH1 puede realizar su papel; sin embargo, al parecer la estimulación de TH1 aumenta dicha actividad.
Figura 2.20
La activación de TH1 está asociada a la respuesta inmune celular y la activación de TH2 con la respuesta inmune humoral.
Para entender cómo funcionan la células CD8, hay que recordar que todas nuestras células producirán antígenos o moléculas propias (antígenos propios) que nos hacen diferentes a cada individuo, de ahí que a veces una persona no pueda recibir tan fácilmente la donación de un órgano de otra persona que no esté estrechamente emparentada. Estos antígenos propios serán presentados por las células de diferentes órganos (hígado, riñón, piel, bazo, etc.), por medio de una molécula denominada MCH-I similar a la MHC-II de las APC (macrófagos). La célula CD8 la recibirá por su TCR y su molécula CD8. Si el linfocito citotóxico (CD8 es lo mismo) detecta que el antígeno presentado corresponde (molecularmente) el organismo al que pertenece entonces se sigue de largo y no daña a la célula (fig. 2.21). 51
Figura 2.21
Los antígenos propios son presentados a la célula CD8 también llamado linfocito citotóxico.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura 2.22
Célula que expresa antígenos a una célula TCD8 (citotóxica) y célula enferma destruida por la acción de las perforinas.
TCR
TC
CD8
En caso contrario, si detecta que es un antígeno extraño (como ocurre en las infecciones virales o en casos de cáncer), entonces esta célula será destruida. Para ello el linfocito citotóxico verterá sobre la célula infectada unas proteínas llamadas perforinas, las cuales producirán perforaciones sobre la membrana citoplasmática de la célula y la destruirán (fig. 2.22). Otro tipo de célula citotóxica son las células NK (por sus siglas en inglés) o asesinas naturales que les podemos denominar células citotóxicas naturales. Estas células carecen de TCR y al parecer reconocen o detectan la presencia o ausencia de MCH-I por parte de la célula que se encuentran examinando (célula blanco). Es decir, si la célula del organismo por alguna causa hubiera perdido el MCH-I, la NK la destruirá de forma muy similar a lo que ocurre con la CD8.
Respuesta inmune humoral Por su parte, la respuesta inmune humoral es activada por la TH2 por medio de IL-4, IL-5, IL-10, IL-13. El resultado final será la activación de linfocitos tipo B para que maduren hacia células llamadas plasmáticas, que son las encargadas de la producción de anticuerpos. Los factores que propicien una respuesta celular o humoral no han sido del todo aclarados por la inmunología, hasta donde sabemos pudiera depender de muchos factores, dentro de los cuales estarían el tipo de antígeno, sus características moleculares, la cantidad de éste, las características genéticas del individuo, su edad, su grupo racial, etcétera. Como se puede ver, contamos con todo un arsenal para la destrucción de microorganismos; sin embargo, como ya se ha mencionado, en ocasiones resulta insuficiente, sobre todo en casos de microorganismos que poseen estrategias moleculares (logradas por adaptación evolutiva) para escapar a la respuesta inmune. Es más, se han reportado casos de virus, bacterias y parásitos que logran engañar al sistema inmune y producen moléculas que pueden desviar la respuesta inmune hacia celular o humoral, de tal suerte que le resulte favorable.
Antígenos y anticuerpos Antígenos Hace tiempo se le llamaba antígeno a toda molécula capaz de despertar una respuesta inmune; sin embargo, se ha observado que existen antígenos propios de cada organismo que no se consideran extraños y que, por tanto, no despertarán una respuesta inmune sino más bien inducirán a la tolerancia. Un ejemplo de lo anterior ya lo vimos en el caso de células que presentan antígenos propios con ayuda de su MCH-I y la célula T citotóxica CD8 las revisa, y si no se considera extraño se sigue de largo. De lo contrario serán destruidas por medio de las perforinas. 52
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
En algunos casos, antígenos simples como el polvo de la casa, el polen de las flores y algunos alimentos pueden, en algunos individuos, despertar una respuesta inmune exacerbada tal que comprometa la vida, a tales antígenos se les llama alergenos y a la respuesta exagerada se le llama alergia, anafilaxia o hipersensibilidad. Con todo lo anterior, la definición se complica demasiado, por lo que pudiéramos ser un poco más explícitos en especificar lo que deseamos que se nos defina. Por ejemplo, pudiéramos definir antígeno propio, antígeno extraño, antígeno bacteriano, alergeno, etcétera. Un microorganismo, las bacterias por ejemplo, poseerá diversos componentes, entre los que encontramos la pared, la membrana o los flagelos; y cada uno de éstos estará compuesto por diferentes tipos de moléculas, proteínas, carbohidratos y lípidos, entre otros. La complejidad aumenta con moléculas mixtas como las lipoproteínas y las glucoproteínas. Cuando aplicamos extractos de bacterias, bacterias vivas o virus atenuados o inactivados, para inducir una respuesta inmune como en el caso de las vacunas, estamos aplicando diferentes tipos de moléculas o antígenos. A todo esto en su conjunto se le conoce como inmunógeno. Los inmunógenos están compuestos de diversos antígenos y son colocados artificialmente para inducir una respuesta inmune.
{
Antígeno
Epitopo
Epitopo
{
Epitopo
b)
Antígeno desnaturalizado
{
Epitopo
Epitopo
{
Epitopo
Figura 2.23
Epitopos de un antígeno (a) y antígeno desnaturalizado (b), los epitopos ya no son accesibles al sistema inmune.
Cuando logramos separar un antígeno bacteriano o cualquier otro, del total del microorganismo, lo conocemos como antígeno purificado. Ahora bien, no toda la molécula antígeno será reconocida por el sistema inmune. De alguna forma, este sistema sólo reacciona con ciertas regiones, las cuales son conocidas como determinantes antigénicos o epitopos. Por tanto, si una molécula cambiara su estructura tridimensional, por ejemplo, una proteína al desnaturalizarse por acción química o térmica, los epitopos pudieran ser alterados y la respuesta inmune no darse. Lo anterior es observable con las vacunas que no han sido conservadas en frío y no sirven como inmunógenos (fig. 2.23). La capacidad de un antígeno para inducir una buena respuesta inmune (antigenicidad) depende de las características propias del individuo donde se aplica (raza, edad, etc.), el tipo de antígeno, la dosis y vía de administración. Los antígenos deben cumplir con ciertas características para ser candidatos a funcionar, como un antígeno idóneo o altamente inmunogénico. Éstas son: • Complejidad estructural. Cuanto más compleja sea la molécula mejor será la respuesta inmune. Las proteínas, al presentar una estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria son mejores antígenos que los carbohidratos, y éstos a su vez son mejores que los lípidos, quedando
53
{
Además, la tolerancia se debe aplicar a otros antígenos que aun sin ser propios deberán ser aceptados como parte de nuestros componentes, por ejemplo, los antígenos de los alimentos, que pasan por parte de nuestro cuerpo antes de ser degradados, las bacterias que cohabitan en nuestros intestinos y los nuevos productos en las madres embarazadas.
a)
{
Dicho proceso de tolerancia se debe dar en forma normal a tejidos propios, pero para complicar un poco más esto existen casos en los que de alguna manera el sistema inmune se “confunde” y ataca los tejidos sanos al no reconocerlos como propios, esto ocurre en las enfermedades denominadas autoinmunes.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA en último lugar los ácidos nucleicos. Las moléculas mixtas, como las lipoproteínas y las glicoproteínas, son mejores que las proteínas simples. • Tamaño molecular. Una molécula con peso molecular alto (arriba de 100 000 D) es más antigénica que las de menor peso. • Heterogenicidad estructural. Moléculas heterogénicas dan mejor respuesta que los homopolímeros. • Conformación estérica. Se ha observado que el arreglo espacial de la molécula puede interferir con el grado de antigenicidad de otra, como ya se mencionó anteriormente en el caso de los epitopos. • Forma física. Las formas solubles son pobres antígenos, mientras que las formas agregadas, como partículas o microagregados, son más antigénicos. Por otra parte, cuando se necesita emplear una molécula de bajo peso molecular se sabe que ésta no dará una buena respuesta inmune (a este tipo de molécula se le llama hapteno). Por tanto, se le adiciona un acarreador de mayor peso llamado adyuvante. De esta forma se logra dar una respuesta inmune correcta.
Anticuerpos Como ya se ha visto, después de la presentación de antígenos, la respuesta inmune se puede disparar hacia una respuesta celular o una humoral. La respuesta humoral se caracteriza por la producción de anticuerpos. Los linfocitos tipo B cuando son activados y maduran se transforman en células plasmáticas, éstas producen un tipo de proteínas llamadas anticuerpos. Cuando se empezaron a estudiar los componentes de la sangre y el suero sanguíneo, se demostró por medio de una técnica llamada electroforesis, que el suero poseía diversas fracciones proteicas: la albúmina y unas proteínas en forma globular a las que se les dio el nombre de globulinas. En dicha electroforesis se observó que estas globulinas eran de tres tipos a los cuales se les asignó el nombre de alfa, beta y gamma. Posteriormente se descubrió que la actividad de inmunidad humoral se encontraba en la fracción de las globulinas gamma o gammaglobulinas, es decir, que los anticuerpos eran las gammaglobulinas, por tanto se les llamó inmunoglobulinas o Ig. Existen cinco clases de Ig: IgG, IgM, IgA, IgE e IgD; cada una con funciones diferentes, como se verá más adelante. Las Ig molecularmente poseen dos cadenas pesadas (50 000 D) y dos cadenas ligeras (25 000 D). Además, hay regiones denominadas Fc por fracción cristalizable, debido a que cuando se empezó a estudiar la composición de los anticuerpos se notó esta característica en esta región de la molécula; sin embargo, por coincidencia, en esta región se fija el complemento (que empieza con C), por eso también se le llama región fijadora de complemento. Además, por coincidencia es la región más constante (que también empieza con C) y por cuya razón también se le llama fracción constante. Figura 2.24
La otra región del anticuerpo que se unirá al antígeno es la región Fab por sus siglas en inglés (fig. 2.24).
Composición de una inmunoglobulina. 54
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Los anticuerpos tienen diversas funciones, entre las que se encuentran:
Evaluación formativa
1. Fijación de complemento. Como ya vimos, las regiones Fab de dos IgG se unirán a la membrana citoplasmática de la bacteria, y en el espacio entre las dos Ig se fijará la fracción C1qrs del complemento (vía clásica) para después desencadenar en el complejo de ataque a membrana o MAC.
Parte I. Elabora un cuadro comparativo sobre las funciones que tienen los antígenos y los anticuerpos. Asimismo, menciona al menos tres ejemplos relacionados con cada uno.
2. Otra función es la neutralización. Los anticuerpos pueden adherirse (por su región Fab) a proteínas virales que de otra forma se pegarían a receptores celulares específicos e invadirían a las células; así se previene la infección viral.
Parte II. Responde estas preguntas.
Otra forma de neutralizar es pegarse a toxinas e inhibir su efecto. 3. Los macrófagos poseen en su membrana receptores para la región Fc (llamados RFc). De esta manera, los anticuerpos que se fijaron a las bacterias además de fijar el complemento, también pueden funcionar como opsoninas, y el macrófago fagocitará estas bacterias, ya que con su RFc tomará a la Ig y a la bacteria juntas. Algo similar a cuando uno toma una salchicha cóctel (como si fuera la bacteria) con el tenedor (la inmunoglobulina) y se la come (la fagocita), nada más que en este ejemplo no nos comemos el tenedor y el macrófago sí introduce a la bacteria y a la Ig. A todo este proceso se le denomina citotoxicidad mediada por anticuerpos. 4. Las inmunoglobulinas de la clase E (IgE) se fijan por su región Fc a receptores (RFc) que se encuentran en la membrana de células cebadas y basófilos. En casos de alergia, cuando llega el alergeno (antígeno) se fija en la región Fab y se produce la salida del contenido de los gránulos de dichas células, a este proceso se le conoce como degranulación. La liberación de dichos compuestos generará una respuesta que puede ir desde una simple alergia hasta estados en los que se vea comprometida la vida. Cuando un paciente sufre un ataque severo de este tipo se cierran los bronquios y hay falla respiratoria, la muerte producida se le denomina muerte por choque anafiláctico. Los diferentes tipos de Ig poseen características moleculares particulares relacionadas con diferentes funciones: IgM. Cuando un paciente establece contacto por primera vez con un antígeno monta una respuesta inmune, la cual se dividirá en dos etapas. La respuesta inmune primaria y la secundaria. La primaria se caracteriza por la presencia de IgM y nos indica que la infección está ocurriendo en ese momento (infección aguda). La IgM es una molécula pentamérica; es decir, son cinco moléculas unidas en una, o sea son cinco anticuerpos. Esta característica y su baja especificidad a antígeno (se pega a muchos antígenos) le confiere características especiales, sobre todo que puede detener a más antígenos de diversos tipos. 55
1. ¿Cúales son las regiones de la molécula antígena reconocidas por el sistema inmune? 2. ¿Por qué las proteínas, especialmente las lipoproteínas y glicoproteínas, son los mejores antígenos? 3. ¿Cómo describirías la función de fijación de complemento de los anticuerpos?
Parte III. Escoge la opción correcta y escríbela en el paréntesis. 1. Son proteínas producidas por linfocitos B transformadas en células plasmáticas.
(
)
1. Son los primeros anticuerpos en ser secretados en la respuesta inmune primaria, son pentaméricos, no atraviesan la placenta. (
)
a)
Antígenos
b)
Anticuerpos
c)
Alergenos
d)
Anafiláxicos
a)
IgG
b)
IgA
c)
IgD
d)
IgM
2. Aparecen en la respuesta inmune secundaria, son monoméricas y más específicas, atraviesan la placenta. a)
IgM
b)
IgG
c)
IgA
d)
IgD
3. Se encuentran en secreciones como saliva, lágrimas y moco. a)
IgM
b)
IgG
c)
IgA
d)
IgD
4. Son las inmunoglobulinas que participan en las reacciones alérgicas. a)
IgM
b)
IgG
c)
IgA
d)
IgE
(
)
(
)
(
)
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA La IgM no traspasa la placenta, así que si se llegara a detectar en el recién nacido no fue porque su mamá se los haya transmitido, sino porque él mismo los generó. Ésta es una buena forma para descartar infección en el recién nacido. IgG. En la respuesta inmune secundaria disminuye la presencia de IgM y aparecen las IgG, éstas son más específicas y monoméricas. Es decir, van directo contra el antígeno para el que fue diseñada. Al ser monomérica, esta molécula puede pasar por placenta hacia el producto, de tal forma que si se llega a detectar no sabríamos si son anticuerpos de la mamá o del bebé. IgA. Existen dos tipos de IgA. La IgA sérica, que es monomérica y se encuentra en suero sanguíneo. Y la IgA secretoria, que es dimérica y se encuentra en secreciones de tracto respiratorio, digestivo, genitourinario, leche, lágrimas y saliva. Posterior a una exposición en mucosas con el antígeno, se induce a que el tejido linfoide local produzca IgA monomérica, que llegará a las células epiteliales vecinas y entonces se adicionarán a dos moléculas IgA una molécula llamada pieza secretoria, producida por las células epiteliales. Lo fantástico de este tipo de inmunidad (inmunidad mucosal) es que si una mamá ha padecido una enfermedad gastrointestinal o urinaria, podrá proteger a su bebé contra estos padecimientos por medio de la leche materna. Esto lo logra gracias a que las IgAS producidas en intestino o tracto urinario son reabsorbidas por las células epiteliales locales y pasan al torrente sanguíneo, no sin antes quitarles la pieza secretoria para viajar por el suero y ponérsela de nuevo a través de las células epiteliales de la glándula mamaria para favorecer su salida con la leche. IgE. Esta inmunoglobulina está relacionada con la degranulación de células cebadas y basófilos, y con el choque anafiláctico, como lo vimos anteriormente. IgD. Esta molécula está fija a la membrana de los linfocitos B inmaduros y es el receptor de antígeno que poseen estas células. Cuando el antígeno embona con una de muchas IgD (un tipo por cada linfocito B) entonces se da lo que se conoce como propagación clonal, los linfocitos B activados se multiplican para después convertirse en células plasmáticas unas y otras en células de memoria. Estas últimas quedan de reserva con memoria para próximas exposiciones.
Vacunas Algunas bacterias que causan enfermedad no lo hacen tanto por la propia infección, sino más bien por las toxinas que producen. Para prevenir estos padecimientos se ha aislado a la toxina y se le ha dado un tratamiento químico con el fin de disminuir al máximo su actividad toxigénica (efecto de la toxina), pero que permanezca inalterada su capacidad inmunogénica (de inducir una respuesta inmune). Al producto resultante se le llama toxoide. Se llama virus muerto o inactivado al que ha perdido la capacidad de infectar a las células y no puede replicarse. Por el contrario, un virus vivo o atenuado es el que ha sido “acostumbrado” a crecer en condiciones y células diferentes a las que normalmente crecía y producía enfermedad. Los virus atenuados conservan la capacidad de infectar otra vez a las células de origen y de replicarse, aunque ahora lo harán de forma más lenta. Las vacunas recombinantes utilizan virus o bacterias como vectores para inocular los genes de otro microorganismo contra el que se quiera inmunizar. BCG.
La vacuna de BCG debe su nombre al Bacilo de Calmette Guérin; aislado de la bacteria Mycrobacterium bovis por el microbiólogo Albert Calmette y el veterinario Jean-Marie C. Guérin y que produce la tuberculosis bovina. Esta bacteria tratada adecuadamente para su uso como vacuna puede prevenir la tuberculosis humana. 56
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Sabin. Para prevenir la poliomielitis se emplean en el mundo dos vacunas. La vacuna tipo Sabin (nombre en honor a su desarrollador, Albert Bruce Sabin) y la vacuna tipo Salk (que recibe su nombre en honor a Jonas E. Salk, investigador que la diseñó). La vacuna Sabin, la cual se aplica en México, está elaborada con virus vivo (atenuado) y se aplica por vía oral, confiriendo al paciente una inmunidad de tipo mucosal. La vacuna Salk está elaborada con virus muerto (inactivado) y se aplica de forma parenteral, es decir, inyectada. DPT.
Las siglas de la vacuna DPT corresponden a las enfermedades contra las que protege. D de difteria producida por una bacteria llamada Corynebacterium diphtheriae; P de Pertusis, otro nombre con el que se le conoce a la tos ferina producida por la bacteria Bordetella pertussis y, por último, T de tétanos producida por la bacteria Clostridium tetani. La difteria y la tos ferina son enfermedades respiratorias graves que causan alto grado de mortalidad en la población no inmunizada. El tétanos es una enfermedad que produce contracción muscular sostenida que ocasiona la muerte. Estas tres enfermedades producen toxinas; por tanto, la inmunización se lleva a cabo aplicando el toxoide para que el paciente genere anticuerpos contra la toxina y así quede protegido en caso de exposición a ésta. HiB. Las siglas significan Haemophilus influenzae tipo B. El Haemophilus influenzae es una bacteria que puede o no presentar cápsula. Las cepas sin cápsula son poco patógenas; en cambio; las que la presentan son más resistentes a la fagocitosis y evaden al sistema inmune produciendo entre otros padecimientos meningitis fulminante.
El Haemophilus influenzae tipo B posee una cápsula de carbohidratos. De esta bacteria se ha extraído el polisacárido polirribosil ribitol fosfato (PRP, por sus siglas en inglés), el cual es empleado para hacer la vacuna en ausencia de la bacteria, lo que reduce los riesgos. HBV. El virus de la hepatitis B (HBV) puede ser adquirido de diversas maneras, entre las que se encuentran transfusiones, contacto sexual, perforaciones por anillos (piercing) o tatuajes. La hepatitis que se genera puede conducir a estados crónicos e incluso carcinoma hepático (cáncer del hígado) y la muerte. Este virus posee un antígeno de superficie llamado HBsAg, que es el primero que contacta con la célula a la que se va a infectar. Actualmente se ha aislado el gen que codifica para dicho antígeno, y se le ha recombinado con el material genético de una levadura inofensiva llamada Saccharomyces cerevisiae reduciendo así el riesgo de infección para emplearlo como vacuna. Es la primera vacuna obtenida por la tecnología de ADN recombinante. SRP. Es una vacuna conocida como triple viral, ya que contiene los virus atenuados (vivos) de sarampión, rubéola y parotiditis (paperas). Estas tres enfermedades comparten su vía de entrada: la respiratoria. El sarampión y la rubéola son enfermedades conocidas como enfermedades virales exantémicas; es decir, producen lesión en piel; sin embargo, lo más alarmante pudieran ser las secuelas que dejan. El sarampión, al igual que la parotiditis, puede producir encefalitis y sordera. Por su parte, la rubéola, aunque produce una enfermedad exantémica leve en niños, en pacientes embarazadas que no han tenido contacto con la enfermedad ni con la vacuna y adquieren la infección, ponen en riesgo la vida del bebé y puede producir desde malformaciones y retraso cerebral, hasta aborto. Existen otras enfermedades que se deben tener en cuenta aunque no aparezcan en la cartilla, como la varicela.
57
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Evaluación formativa Escoge la opción correcta y escríbela en el paréntesis. 1. Personas cuyos eritrocitos carecen de los antígenos A y B. (
)
a) A
Se ha descubierto la presencia de diversos antígenos en las membranas de eritrocitos. Algunos han sido utilizados como sistema de diferenciación de grupos sanguíneos. Los más usados son el sistema ABO y el Rh. También hay otros que rara vez son empleados en estudios de laboratorio y más bien aparecen en trabajos de investigación, como los sistemas Lewis y Lutheran. El científico Kart Landsteiner en 1910 descubrió el sistema ABO, y en 1940 el Rh. El sistema ABO se basa en dos antígenos: A y B, de tal suerte que, bajo este esquema, existen cuatro tipos sanguíneos:
b) B c) AB
• Individuos tipo A. Estas personas poseen el antígeno tipo A en la membrana de sus eritrocitos, pero carecen del tipo B; sin embargo, pueden montar una respuesta de rechazo (anticuerpos) contra éste.
d) O 2. Es el tipo sanguíneo más frecuente.
Grupos sanguíneos
(
)
a) ORh+ b) ORh– c) ARh+
• Individuos tipos AB. Las personas AB poseen ambos antígenos en la superficie de sus glóbulos rojos (eritrocitos) y no fabrican ninguno de los anticuerpos (A o B). Pueden recibir cualquiera de los dos tipos de sangre anterior y del tipo O que veremos adelante, por lo que se consideran aceptores universales, sobre todo el ABRh+.
d) BRh+ 3. Nombre del rechazo inmunológico que se presenta en un segundo embarazo por incompatibilidad de Rh entre la madre y el hijo. ( a) Infección aguda b) Anafilaxia c) Eritroblastosis fetal d) Neutralización
Aprende a ser
• Individuos tipo B. Estas personas poseen el antígeno tipo B en la membrana de sus eritrocitos, pero carecen del tipo A, y de igual forma pueden rechazar la transfusión con sangre tipo A.
)
• Individuos tipo O. A este tipo de grupo sanguíneo se le ha denominado O aunque realmente es 0 (cero) ya que carece de cualquiera de los dos tipos de antígenos, pero puede fabricar anticuerpos contra ambos. Por tanto, podrá ser un donador universal ya que carece de cualquier antígeno, sobre todo el tipo ORh-. El factor Rh fue descubierto por primera vez en el mono Macaccus rhesus y de las dos primeras letras de la especie recibe su nombre. Existen dos tipos sanguíneos de Rh, positivo si está presente y negativo cuando está ausente. El sistema ABO se complementa con el sistema Rh, de esta forma podemos tener ORh+ (el más fecuente), ORh-, ARh+, ARh-, BRh+, BRh-, ABRh+ y ABRh- (el menos frecuente).
con la biología
Cuando un paciente es Rh- y recibe una transfusión de sangre Rh+, monta una respuesta inmune de rechazo y podría morir.
Investiga en tu familia qué tipo de sangre predomina; asimismo, pregunta si alguno de ellos ha sido donador y qué requisitos hay que seguir para ser un buen candidato a donar sangre.
Cuando la mujer es Rh- y se embaraza de un individuo Rh+ no ocurre el rechazo, ya que la sangre de la madre no contacta con la del producto, gracias a la presencia de la placenta que separa las dos sangres y sólo permite el paso de nutrientes y ciertas moléculas; sin embargo, al momento del parto pudiera haber contacto de la sangre del bebé con la de la madre. Ella podría quedar sensibilizada, de tal modo que de presentarse otro embarazo, pudiera producir una enfermedad conocida como eritroblastosis fetal.
Finalmente, explícales las diferencias que existen entre su tipo de sangre y los otros tres.
La eritroblastosis fetal es una condición de rechazo inmunológico al producto del segundo embarazo, en donde las IgG maternas, que sí atraviesan la placenta, destruyen los eritrocitos del producto por activación del complemento, produciendo esplenomegalia (aumento de tamaño del bazo), ictericia (coloración amarilla de la piel y mucosas por destrucción masiva de eritrocitos) y muerte.
58
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Trasplantes A lo largo de la historia de la humanidad, el intento de las ciencias médicas por trasplantar órganos y tejidos ha sido un camino lleno de fracasos y, en algunos casos, éxitos limitados. Sin embargo, también han existido grandes logros que han traído claridad al entendimiento del rechazo a injertos. Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania bombardeó entre otros países a Inglaterra. Durante esa época el inmunólogo inglés, Peter Medawar, trabajó con los pacientes quemados (entre soldados y civiles). Una de las limitaciones que observó fue el hecho de que los injertos de piel duraban aproximadamente siete días antes de ser rechazados, y algo que llamaba la atención era que el segundo injerto duraba menos días. A este fenómeno se le denominó la segunda respuesta en el trasplante.
Evaluación formativa Parte I. Menciona las características, funciones y ejemplos de la inmunidad natural pasiva y natural activa. Escoge la opción correcta y escríbela en el paréntesis. Se llamó la segunda respuesta en el trasplante. a) Los injertos los aceptaba el organismo en la segunda ocasión b) El segundo injerto era rechazado en menos tiempo c) Los injertos sólo duraban siete días d) El trasplante se lograba sólo entre hermanos gemelos Parte II. Relaciona las columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponde a la respuesta correcta. (
En 1954, Joseph Murray logró el primer trasplante de riñón. El donador era hermano gemelo del receptor. A mediados de los cincuenta, Rupert Billingham, Leslie Brent y Peter Medawar descubrieron que el efecto inmunológico de rechazo radicaba en los linfocitos. Por primera vez, Jean Dausset y Felix Rapaport descubrieron en 1952 la existencia de la molécula encargada de la histocompatibilidad (compatibilidad de tejidos) y a la vez del rechazo. Le denominaron HLA, por sus siglas en inglés, o antígeno leucocitario humano, posteriormente con estudios acerca de las estructuras de la superficie celular que regulan las reacciones inmunológicas (desarrollado por Dausset, Benacerraf y Snell) se le llamó complejo principal de histocompatibilidad (MHC, por sus siglas en inglés) y aunque son lo mismo, el MHC aplica para todas las especies animales que lo poseen (incluyendo al humano). Por sus trabajos Jean Dausset, Baruj Benacerraf y George D. Snell ganaron el premio Nobel de Medicina en 1980.
(
) Vacuna para prevenir la poliomielitis que se aplica en México, se elabora con virus atenuados y se aplica vía oral.
(
) Protege contra la difteria, tos ferina y tétanos.
(
) Vacuna que previene la hepatitis B.
(
) Es conocida como la triple viral contra el sarampión, la rubéola y la parotiditis.
1.
SRP
2. Sabin 3. Salk 4.
BCG
5.
DPT
6. HiB 7. HvB
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD Asiste a un Centro de Salud de tu localidad, comunidad, colonia o municipio y solicita que te indiquen cuántos tipos de Cartilla Nacional de Salud hay y a quién van dirigidos (niños, mujeres, adolescentes, adultos, etc.). Menciona que estás haciendo un trabajo de campo y solicita que te proporcionen una copia fotostática de cada cartilla.
Posteriormente se comprendió más acerca del proceso de rechazo de injertos, como ya se vio, es un problema de citotoxicidad mediada por células, es decir, que de forma natural casi todas las células de un organismo presentan antígenos propios unidos a moléculas de MHC-I también propias del individuo en cuestión. Dichos antígenos son presentados a las células T citotóxicas y éstas los reciben con su TCR y su CD8 (fig. 2.25).
Una vez que tengas todas, analiza cada una e identifica las diferencias y semejanzas que hay entre ellas. Finalmente, identifica qué vacunas debes tener de acuerdo con tu edad y sexo. No lo dudes y vacúnate, ya que sabes los beneficios que tienes al realizarlo.
De reconocerse como propio el antígeno (y por ende a la célula), el linfocito T citotóxico se sigue de largo. De lo contrario, como ocurre en los trasplantes, las células injertadas son destruidas. Lo anterior ocurre porque las células injertadas expresan con su propio MHC-I (diferente al de la célula aceptora) antígenos propios del injerto (diferentes a los del receptor). Por tanto, los linfocitos CD8 (o
59
)
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA T citotóxicos) vierten proteínas perforinas que atraviesan las células sanas, pero extrañas al organismo receptor (fig. 2.26).
2. ENZIMAS Nuestras células viven en condiciones más o menos estables, o si se quiere ver así, mucho más estables que las condiciones predominantes en el exterior.
Figura 2.25
Proceso normal de reconocimiento de antígenos propios.
Imaginemos que viajamos al interior de una célula con todo un equipo de medición y podemos evaluar la presión intra y extracelular, el pH, la temperatura, la concentración de diferentes iones, etcétera. Nos daríamos cuenta de inmediato que las condiciones no variarían mucho en una célula a lo largo del tiempo de nuestra investigación ni respecto a otras células.
Figura 2.26
Lisis de célula sana extraña (injerto) por perforinas.
Figura 2.27
Los reactantes en un medio acuoso y sin catalizador tienen que encontrarse y coincidir para reaccionar, proceso conocido como choque.
Reactante A
Reactante B
Ahora bien, si se tiene en cuenta que muchas de las moléculas que se encuentran, tanto fuera de la célula como en su interior, necesitan ser transformadas, obviamente se requiere pensar en un mecanismo por medio del cual se puedan dar dichas transformaciones y que tenga que ser energéticamente viable en las condiciones estables de la célula.
Las transformaciones sin catalizador se pueden dar, pero muchas de éstas no se producirían en las condiciones fisiológicas de la célula, ya que requerirían de presión, temperatura, pH y otras variables que destruirían nuestras células. Por tanto, necesitamos otro mecanismo por medio del cual puedan ocurrir tales transformaciones. Echándole una mirada a las reacciones sin catalizador (fig. 2.27) debemos recordar que se deberían llevar a cabo rodeadas de un medio líquido (como la célula y el líquido extracelular), lo cual implicaría que las dos moléculas a reaccionar (reactantes) que llamaremos en este caso A y B, se verían en serios problemas para coincidir y unirse para reaccionar ya que tendrían que vencer lo que se conoce como la capa de hidratación, que es todo el medio líquido que les rodea y cuyas partículas de agua se mueven de forma aleatoria estimuladas por la temperatura; esto significa que a mayor temperatura mayor movimiento y mayor probabilidad de coincidencia entre los reactantes A y B.
60
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO En las reacciones de transformación sin catalizador existe un estado denominado de transición (fig. 2.28), que se caracteriza porque las moléculas reactantes se encuentran firmemente unidas y entre las dos forman una molécula diferente antes de separarse. Este evento requiere de una gran cantidad de energía (energía de activación), la cual si no es dada por algunos de los reactantes tendría que tomarla del medio, esto implica una dificultad mayor que la que de hacer coincidir dos moléculas reactantes en un medio líquido y sin catalizador (choque). Por tanto, difícilmente podría ocurrir en nuestras células. Afortunadamente para nosotros, y todos los organismos vivos, contamos con moléculas que funcionan como catalizadores biológicos (biocatalizadores), que son las enzimas, de naturaleza proteica. Aunque también existen algunos ácidos nucleicos catalíticamente activos llamados ribozimas.
Figura Fig igura ura 2 2.28 28
El estado de transición sin catalizador es más difícil de lograr que el choque.
Sitio activo y sustratos Las enzimas poseen una región denominada centro activo (o sitio activo), la cual es el espacio donde llegarán a colocarse las moléculas reactantes (sustrato). El acoplamiento espacial adecuado propiciará una mayor aproximación y orientación de los sustratos, lo cual tendrá tres efectos importantes en la reacción: 1. Que se formen complejos entre los reactantes (sustrato) y la enzima. 2. Que se elimine la mayor cantidad de moléculas de agua circundantes (exclusión del agua). 3. El estado de transición es mucho más estable. Estos tres efectos producirán que la energía de activación necesaria para la reacción sea muchísimo menor que la requerida en ausencia de catalizador, por lo que ahora sí se podrán llevar a cabo las reacciones en condiciones biológicas. El centro activo es entonces el lugar donde se unirá el sustrato y se realizará la reacción catalítica. Cuando el sustrato llega al centro activo ocurre un cambio estructural en la conformación tridimensional en el complejo enzima-sustrato; sin embargo, una vez que el proceso se ha dado, la enzima regresa a su estado original. A este fenómeno el científico Daniel Kohsland le denominó ajuste inducido. Algunas enzimas además del sitio activo presentan en otras regiones de la molécula (distantes al sitio activo) otros sitios de regulación; a estas enzimas se les conoce como enzimas alostéricas, y se estudiarán más adelante. Para llevar a cabo su función, las enzimas requieren a veces la participación de ciertas moléculas, las cuales reciben diferentes nombres dependiendo su naturaleza química. Se les llama coenzimas a las moléculas auxiliares de tipo orgánico y cofactor a las que son iones metálicos (oligoelementos). Al complejo formado por la enzima y el cofactor o la coenzima se le denomina holoenzima; por otra parte, la unidad proteica sola (enzima) en ausencia de cofactor o coenzima se le conoce como apoenzima. A la acción catalítica de las enzimas se le llama actividad enzimática, ésta puede ser medida cuantificando el incremento de la velocidad de reacción. Es decir, lo que se mide es la diferencia del recambio (generación de producto) entre una reacción con enzima y otra en ausencia de ella. Por poner un ejemplo conocido, es como si deseáramos conocer con qué velocidad podemos cortar hojas de papel empleando una filosa guillotina o la mano. La diferencia entre el número de hojas obtenidas al final por ambos métodos en un tiempo determinado, sería la velocidad de reacción. 61
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Las enzimas, en general, son altamente específicas de acuerdo con el tipo de actividad que realizan (especificidad de acción) y con molécula sobre la que van a trabajar (especificidad de sustrato).
Desnaturalización de enzimas Cada enzima funciona óptimamente dentro de un reducido límite de condiciones fisicoquímicas, como pH y temperatura, al margen de las cuales se desnaturaliza, esto es, que pierde su estructura tridimensional y capacidad para catalizar una reacción química.
Factores que afectan la rapidez de las reacciones enzimáticas Figura 2.29
Efecto del pH en la actividad enzimática.
La velocidad de reacción de una enzima puede estar determinada por diversos factores, entre los que destacan: temperatura, presión, pH, fuerza iónica, concentración de sustratos, cofactores e inhibidores.
Factores físicos (pH y temperatura) El funcionamiento óptimo de una enzima está estrechamente ligado al pH; por ejemplo, en las células humanas un pH fisiológico de 7.4 (casi neutro) es ideal, es decir que pH a los extremos (muy ácido o alcalinos) llegan a afectar la capacidad catalítica de la enzima e incluso podrían dañarla. Recordemos que es de naturaleza proteica y susceptible a la desnaturalización por pH. La proteína enzima desnaturalizada alterará su conformación tridimensional y, por tanto, su sitio activo (fig. 2.29).
Figura 2.30
Efecto de la temperatura en la actividad enzimática.
Sin embargo, existen excepciones, por ejemplo la pepsina (enzima gástrica) que puede trabajar a pH muy ácido (alrededor de 2). Esto lo logra gracias a que posee un zimógeno, precursor o enzima inactiva que, como este caso, en condiciones de pH muy ácido alteran su conformación tridimensional adoptando la de una enzima con un centro activo útil.
La eficiencia funcional de la enzima respecto a la temperatura es asimétrica; es decir; no describe una curva como en el caso del pH (fig. 2.30). La temperatura ejerce un efecto favorable al inicio ya que promueve el aumento del movimiento molecular; sin embargo, puede llegar a un punto en el cual, de igual forma que con el pH, desnaturalice la proteína (enzima). En las células humanas la temperatura óptima es alrededor de los 37.5 °C que es la temperatura fisiológica. Sin embargo, existen algunas excepciones, como en el caso de las bacterias que habitan fuentes de aguas termales (Thermophilus aquaticus, por ejemplo) con temperaturas superiores a los 100 °C, poseen enzimas (como su polimerasa llamada Taq polimerasa), las cuales son activas incluso a estas temperaturas. Las enzimas pueden ser inhibidas de dos formas, reversible o irreversible. En el primer caso hay tres mecanismos por medio de los cuales se logra la inhibición:
INHIBICIÓN REVERSIBLE • Inhibición competitiva. La molécula inhibidora compite con el sustrato para unirse a la enzima libre y a su sitio activo, pero la molécula inhibidora no resulta alterada, como ocurriría si se tratara del sustrato. Ejemplo de este fenómeno es la enzima llamada succinato-deshidrogenasa, la cual puede ser inhibida con el malato. 62
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO • Inhibición acompetitiva. Aquí sí se da la unión enzima-sustrato, pero el inhibidor se une a este complejo inactivándolo. • Inhibición no competitiva. En este caso el inhibidor puede unirse a la enzima libre o con el complejo enzima-sustrato.
INHIBICIÓN IRREVERSIBLE La molécula inhibidora se unirá de manera covalente con la enzima cambiando su estructura tridimensional y alterando de manera permanente la conformación espacial del sitio activo, inactivando irreversiblemente la enzima.
Importancia de las enzimas en los procesos biológicos Como se ha visto, las enzimas desempeñan un papel central en los procesos de biotransformación molecular a nivel y en condiciones celulares. Sin ellas muchas de las reacciones y funciones celulares simplemente no podrían llevarse acabo, lo que haría imposible la vida como la conocemos. Las enzimas son empleadas en todas las funciones celulares, dentro de las que destacan todas las rutas metabólicas, la replicación del ADN, la transcripción hacia ARNm, la traducción hacia proteína, la reproducción celular, etcétera. En cuanto al metabolismo celular, recordemos que existen dos divisiones: el catabolismo u oxidación son una serie de reacciones metabólicas encargadas de degradar los nutrientes para obtener energía. Y por otra parte el anabolismo o biosíntesis, que es la serie de rutas metabólicas encargadas de construir macromoléculas para formar tejido.
Figura 2.31
Glucólisis.
Por citar un ejemplo, estudiemos lo ocurrido en el aprovechamiento de la glucosa como fuente de energía, en la que la glucosa después de varias reacciones rendirá en la formación de ATP (trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato), que es la principal molécula encargada de conservar y transferir energía. Este proceso incluye varios pasos secuenciales y puede tener varios puntos de partida, pero para simplificarlo comencemos desde la glucólisis, le seguiría la transformación de piruvato a acetil-CoA, luego el ciclo de Krebs, el transporte de electrones y finalmente la fosforilación oxidativa (principal ruta encargada de la elaboración de ATP). En este ejemplo participa un gran ejército de enzimas, a continuación se mencionan algunas encargadas de transportar la energía: Vía metabólica
Enzima
Sustrato
Producto
Glucólisis
Fosfogliceratoquinasa
1-3 difosfoglicerato + ADP
3 fosfoglicerato + ATP
Glucólisis
Piruvatoquinasa
Fosdoenolpiruvato (AEP) + ADP
Piruvato + ATP
La glucólisis que se lleva a cabo en el citoplasma es el primer proceso anaeróbico de degradación de la glucosa. En esta ruta metabólica se invierten 2 ATP y se ganan 4 ATP, 2 piruvatos, 2 NADH (molécula que se estudiará mas adelante) (fig. 2.31). Las enzimas del cuadro anterior son del tipo cinasas y logran quitar de su sustrato un fósforo, para unirlo con el ADP (difosfato de adenosín o adenosín difosfato) y así formar al ATP.
63
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA A simple vista, parece ser que la glucólisis no resulta energéticamente atractiva, ya que se invirtieron 2 ATP y se obtuvieron 4, quedando una ganancia final de 2 ATP. Sin embargo, la energía se encuentra guardada en el piruvato y en el NADH. El NADH y el FADH son parte de un grupo de enzimas llamadas transferidoras de electrones (fig. 2.32). El NAD (nicotinamida adenina dinucleótido) es la coenzima de la enzima deshidrogenasa flavin dependiente, como su nombre lo dice deshidrogena; es decir, gana electrones a partir del hidrógeno, convirtiéndose en NADH (forma reducida). Más adelante participará la FAD (flavín adenín dinucleótido), prostético de la enzima deshidrogenasa flavín dependiente que al ganar electrones del hidrógeno se convierte en FADH (forma reducida). El piruvato (ganado en la glucólisis) se convertirá gracias al complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa (PDH) en Acetil-CoA (Acetil Coenzima A) y se producirá otro NADH. El Acetil-CoA es el combustible del ciclo de Krebs, se lleva a cabo en la mitocondria y consiste en una serie de reacciones que producirán por cada molécula de Acetil-CoA, 3 NADH, 1 FADH y 1 ATP (fig. 2.33). Finalmente, todos los NADH y los FADH obtenidos en la degradación de una molécula de glucosa (diez y dos respectivamente), pasarán a la ruta metabólica denominada transporte de electrones, aquí donarán sus electrones a otras enzimas transferidoras de electrones ubicadas en la membrana interna de la mitocondria, cuyas moléculas quedarán en su forma oxidada (NAD y FAD) (fig. 2.34). Dichas enzimas transferidoras de electrones son las ferrosulfoproteínas, citocromos y ubiquinona o coenzima Q, todas actúan recibiendo los electrones y pasándolos a la siguiente molécula hasta llegar a unirse al protón H+ para después llegar al aceptor final que es el oxígeno y formar agua. En su paso por estas enzimas, los electrones promueven la salida al espacio intermembranal de protones (H+), esto genera un gradiente de concentración de protones, que puede producir un potencial eléctrico. Dicho potencial eléctrico generará la fuerza protón motriz (fig. 2.35).
Figura 2.32
El NAD y el FAD son componentes de enzimas deshidrogenadas y en su forma reducida se les denomina NADH y FADH, respectivamente.
La fuerza protón motriz se puede imaginar como un tinaco repleto de agua, en donde la caída del líquido se da por un tubo pequeño que genera tal presión que hace girar un motor. Dicho motor es otra enzima, la ATP sintasa. Por el interior de ésta pasan los protones (del espacio intermembranal) hacia la matriz mitocondrial (de regreso). Conforme van pasando hacen girar la enzima a manera de un torniquete del supermercado, de tal suerte que la propia enzima abre unos espacios y cierra otros. 64
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Acetil CoA Citrato sintetasa
Oxalacetato (presente sólo en pequeñas cantidades)
Aconitasa Malato deshidrogenasa Malato
Las zonas sombreadas representan el CO2 proveniente del Acetil CoA durante todo el ciclo antes de ser eliminado.
Fumarasa
Isocitrato
Isocitrato deshidrogenasa
Fumarato
Oxoglutarato Succinato tionsinasa
Succinato deshidrogenasa
Oxalato deshidrogenasa Succinil Succinato CoA
Figura 2.33
El ciclo de Krebs aporta 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH.
Figura 2.34
Transporte de electrones. 65
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
ADP + Pi F1
Citoplasma
ATP b2 H+
Membrana mitocondrial interna
F0
C12 Figura 2.35
Espacio intemembranal
sintasa, la enzima gira por la fuerza protón motriz.
ATP
H+
H+
En los espacios abiertos se acoplan el ADP y el Pi y cuando los espacios se cierran se fusionan estas moléculas generando el ATP.
Evaluación formativa Relaciona las siguientes columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponde a la respuesta correcta. (
) Región de la enzima donde se colocan las moléculas del sustrato.
(
) Molécula orgánica (no proteica) que participa en los procesos catalizados por la enzima.
2. Cofactor 3. Sitio activo 4. Apoenzima
) Catalizan la transferencia de electrones de una molécula a otra.
5.
ATP
(
) Con el empleo de la energía catalizan la unión de moléculas.
6.
ADN
polimerasa
7.
ADN
ligasa
(
) Es el pH en el que funcionan en forma óptima las enzimas en células humanas.
(
) Es aproximadamente la temperatura óptima en la que funcionan las enzimas en células humanas. ) Enzima que realiza la síntesis del ADN.
(
) Enzima que sintetiza el ATP con la fuerza que generan los protones que regresan del espacio intermembranal a la matriz mitocondrial.
Esta serie de rutas metabólicas encargadas de la oxidación de la glucosa y la consecuente formación de varias moléculas de ATP, es tan sólo un ejemplo de la complicada e intrincada red de rutas metabólicas, y tanto en ellas como en otros procesos celulares la participación de las enzimas es de vital importancia.
1. Coenzimas
(
(
H+
3. ÁCIDOS NUCLEICOS
sintasa o sintetasa
El ADN (estructura y función en las células) Para resolver el problema de cómo con tan sólo cuatro nucleótidos podemos tener un amplio repertorio en la herencia, que incluya además toda la información genética de una especie, y aun más, la diversidad de todas las especies, se tendría que empezar por entender la estructura, organización y función de los nucleótidos.
8. Oxidorreductasa 9. Ligasa 10. 37.5 °C 11. 7.4 12. 8.6
Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico. Obsérvese que a primera vista, entre el ADN y el ARN hay una diferencia que más tarde se aclarará (el prefi66
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO jo desoxi-), esto nos da una idea de que la molécula del ADN en alguna parte carece de un oxígeno (des-oxi), esta parte es la molécula del azúcar (2-desoxirribosa) a diferencia del ARN que posee ribosa. ADN
Los nucleótidos de ADN se denominan desoxinucleótidos (dNTPs, por sus siglas en inglés) y son cuatro. La desoxiguanina (dG), desoxicitosina (dC), desoxiadenina (dA) y desoxitimina (dT). Usualmente sólo se les denomina guanina (G), citosina (C), adenina (A) y timina (T). Figura Fig ura 2.36 2 36
Los desoxinucleótidos están constituidos por tres componentes: 1. Una base nitrogenada, que puede ser una pirimidina (C y T) o una purina (G y A).
Desoxirribosa.
2. Un azúcar, que en el caso del ADN es la 2-desoxirribosa (fig. 2.36). Compara la desoxirribosa con la ribosa y observa que en el carbón 2 de la molécula tiene un H en lugar de un OH, por lo que se le antepone el prefijo desoxi-. 3. Un grupo fosfato. ARN
Los nucleótidos de ARN se denominan ribonucleótidos (rNTPs) y también son cuatro. A estos nucleótidos solamente se les denomina guanina (G), citosina (C), adenina (A) y uracilo (U), en lugar de timina. Los ribonucleótidos están constituidos por tres componentes:
Figura 2.37
1. Una base nitrogenada, que puede ser una pirimidina (C y U) o una purina (G y A).
Ribosa.
2. Un azúcar, que en el caso del ARN es la ribosa (fig. 2.37). 3. Un grupo fosfato. Tanto en el ADN como en el ARN las bases purínicas son adenina y guanina. Por otro lado, en el ADN las bases pirimidinas son timina y citosina, y para el caso del ARN sólo cambia la timina por el uracilo (fig. 2.38).
Figura 2.39
Nucleótido (desoxinucleótido). Figura 2.38
Bases purínicas y pirimidinas. 67
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura 2.40
Cadena lateral de ADN.
Figura Fig ura 2 2.41 .41 41
Unión guanina-citosina dada por tres puentes de hidrógeno.
Figura 2.42
Unión adenina-timina dada por dos puentes de hidrógeno.
Figura 2.43
Doble cadena de ADN. 68
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Cuando se une la base con el azúcar se le denomina nucleósido, cuando el grupo fosfato se une al nucleósido se llamará nucleótido (fig. 2.39).
a)
Como se aprecia en la figura 2.39, el grupo fosfato se encuentra anclado en el carbón 5’ (cinco prima) del nucleótido. Por otra parte en el extremo 3’ (tres prima) se encuentra el OH. El ADN celular posee dos hebras o cadenas de nucleótidos (a manera de vías de tren o mejor aún pasamanos de una escalera en caracol). Cada hebra (cada vía del tren) posee entonces, nucleótidos unidos entre sí; la forma en que éstos se unen es cuando el grupo 5’-fosfato de uno reacciona con el grupo 3’-OH del otro. De esta forma resultará una hebra (o vía) con un grupo 5’ libre en un extremo y otro 3’ libre en el otro extremo. Por tanto se dice que la dirección de la cadena va de 5’ a 3’ (de izquierda a derecha) (fig. 2.40).
b)
Por otra parte, las dos cadenas o hebras de ADN se unen entre sí por medio de puentes de hidrógeno (a manera de unión entre los dos rieles del tren). La forma en que lo hacen es por medio de la complementariedad, es decir, que la guanina se unirá sólo con la citosina, y la timina sólo con la adenina. La unión de la guanina y la citosina está dada por tres puentes de hidrógeno (fig. 2.41) y entre la adenina y la timina sólo por dos (fig. 2.42). Se dice que las dos cadenas de polinucleótidos son antiparalelas, porque van en dirección opuesta. De tal manera que una cadena va en dirección 5’n3’ y la otra en dirección 3’n5’ (fig. 2.43). Debido a que una banda se encuentra en sentido contrario a la otra (5’-3’ y 3’-5’) y a que se produce el acomodo complementario de las bases (A con T y G con C), a la conformación tridimensional de éstas y a sus puentes de hidrógeno, se produce un efecto de torción de la hélice hacia la derecha, ésta se da cada diez pares de bases en un giro de 360° (a manera de escalera de caracol). Considerando que cada base mide alrededor de 0.34 nm de espesor y que cada diez pares de bases se produce un giro completo de la doble hélice, podemos deducir que el giro total de ésta medirá 3.4 nm. Por otra parte, el ancho total de la hélice es de 2.0 nm. Al ir girando la doble hélice se forman dos surcos, uno denominado surco menor y el otro mayor o principal. El surco menor es el más delgado y se localiza en el centro. El surco mayor expone las bases de forma más accesible propiciando que esta región del ADN interactúe con unas proteínas llamadas histonas, que colaboran para el enrollamiento del ADN (fig. 2.44). Las histonas son una serie de proteínas que se agrupan en octámeros (ocho unidades) y alrededor de éstas gira la doble hélice de ADN dando dos vueltas completas, lo que equivale a aproximadamente 200 bp (pares de bases). Junto con las histonas en octámero también participa otra histona llamada H1 o histona 1, que funciona a manera de poste o andamio para sostener el giro de la doble hélice de ADN sobre el octámero de histonas (fig. 2.45). A todo este paquete de histonas octámero, H1 y doble giro de la doble hélice de ADN se le denomina nucleosoma.
69
Figura 2.44
Estructura del ADN.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Nucleosoma
Nucleosoma
ADN
H1 Doble giro del ADN
Octámero de histonas
Figura 2.46
Collar de nucleosomas.
Octámetro de histonas
a) Los nucleosomas forman un hilo grueso que semeja un collar de perlas (fig. 2.46).
11.0 nm
2.8 nm
5.6 nm
b)
Este collar de nucleosomas a su vez se contorsiona haciendo paquetes de seis nucleosomas cada uno y conectados entre sí, llamados solenoides. Éstos se enredan en asas (fig. 2.46). Posterior al enrollamiento de asas, se superenrollan y compactan más a tal grado que logran condensar el ADN para formar unidades densas y sólidas de ADN. Estas unidades reciben el nombre de cromosomas (fig. 2.47).
2.2 nm
2.2 nm 6.6 nm
Figura 2.45
El ADN siempre estará desorganizado (no compactado) a menos que la célula entre en el proceso de reproducción (mitosis o meiosis, según sea). Es decir, que aunque siempre está presente el ADN, si la célula no entra al estado de división celular no habrá necesidad de organizar su material genético, y sólo cuando ésta se reproduce se compactará el ADN y empezará a ser visible desde la etapa de prometafase (fig. 2.48).
a) Octámero de histonas y H1. b) Medidas del nucleosoma, en anaranjado el ADN y en azul la histona.
Cromosoma
Solenoide
Asas
Solenoide
a)
Nucleosoma ADN
b)
Figura 2.47
Figura 2.48
a) Enrollamiento de los paquetes (solenoides) del collar de nucleosomas. b) Superenrollamiento y formación de cromosomas.
Los cromosomas empiezan a ser visibles desde la prometafase. 70
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO La célula duplica su tamaño y aumenta la cantidad de organelos, enzimas y otras moléculas
Figura 2.49
La replicación se lleva a cabo en la fase S del ciclo celular.
Se separan los dos juegos de cromosomas
Mitosis
El citoplasma se divide, citocinesis División celular
Duplicación del ADN y proteínas asociadas; existen ahora dos copias de la información genética de la célula
Interfase
Las estructuras necesarias para la división empiezan a montarse. Los cromosomas empiezan a condensarse
Pensemos en una célula humana que entra al proceso de reproducción celular llamado mitosis. Previo a que la división se lleve a cabo (fase M del ciclo celular), es indispensable la duplicación de su material genético, proceso conocido como replicación del ADN (fase S del ciclo celular). Esto es necesario para que, cuando los cromosomas migren a cada uno de los polos de las células, las dos células hijas posean la misma carga genética (fig. 2.49). El ADN se replica de forma semiconservativa, o sea que las dos hebras que forman la doble hélice del ADN se separarán y se hacen las copias complementarias de cada una por separado (uniéndose nuevos nucleótidos). Esto implica que al final de la replicación (duplicación) del ADN existirán dos juegos o dos dobles hélices, donde cada una contendrá una hélice o banda vieja u original y una banda nueva o recién sintetizada (fig. 2.50).
Replicación de ADN en eucariotes El proceso de replicación del ADN en células eucariotas no se da desde uno de los extremos del ADN (como pasa en las procariotas), sino por el contrario, es tanto el material genético que se tienen que formar varios sitios de replicación a lo largo de todo el ADN, a estos sitios de replicación se les denomina burbujas de replicación. A los lados de estas burbujas se encuentra un complejo enzimático llamado replisomas (fig. 2.51). Los replisomas poseen estas enzimas (fig. 2.52):
Figura 2.50
Replicación semiconservativa. 71
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA 1. Topoisomerasa. Esta enzima favorecerá el giro a la izquierda de la doble hélice para permitir su apertura 2. Helicasa. Formará un obstáculo que junto con las proteínas estabilizadoras impedirán que la doble hélice se vuelva a cerrar. 3.
Figura 2.51
El replisoma es el complejo enzimático de replicación alojado a los lados de las burbujas de replicación.
ADN polimerasa III. Esta enzima desempeñará el papel central de ir construyendo (polimerizando) la nueva cadena de ADN. Para lograrlo se basará en la complementariedad de bases, leyendo la hebra líder (la que va de 3’ a 5’) y construyendo la nueva hebra (complementaria) de 5’ a 3’ (siempre la síntesis la realiza la ADN polimerasa en dirección 5’n3’).
Recordemos que el sentido de las dos hebras es inverso entre sí, mientras una va de 5’ a 3’ la Hebra de ADN ATP aca
3’
5’
Heliacasa
3’ 5’
Topoisomerasa Proteínas estabilizadoras ADN polimerasa
Figura 2.53 Figura 2.52
Cebador o primer de ARN para que comience la ADN polimerasa. Nótese que una de las bases del cebador de ARN es uracilo.
Enzimas que participan en la burbuja de replicación.
Figura Fig igura ura 2 2.54 54
Cebador o primer de ARN para que comience la ADN polimerasa. 72
5’ 3’
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO otra parece que bajara y va de 3’ a 5’. Esto denota un problema para la replicación y para complicar las cosas, la polimerasa sólo puede trabajar con dobles hebras y no hebras solas o separadas, así que tendrán que ocurrir dos procesos diferentes: 1. Síntesis continua de la primera hebra (también llamada cadena líder). a) El primer paso es colocar un fragmento pequeño de ARN, la síntesis de este fragmento de ARN (llamado primer o cebador) lo realiza una enzima llamada ARN polimerasa dependiente de ADN (o ARN primasa), esta enzima puede trabajar en una sola banda o bandas sencillas, a diferencia de la ADN polimerasa IIIs (fig. 2.53). Este cebador irá al inicio de la hebra sobre la que va a trabajar la ADN polimerasa (llamada ADN pol III), de tal suerte que pareciera una doble banda cerrada, pero en realidad es una hebra abierta con un pedacito de ARN, que después se eliminará (fig. 2.54). b) Posteriormente, la ADN polimerasa empieza a colocar los desoxinucleótidos correspondientes, es decir, donde encuentre una adenina colocará una timina y donde encuentre una guanina colocará una citosina, y viceversa. De esta forma se irá construyendo una banda idéntica a la opuesta. La ADN polimerasa sintetiza la nueva cadena de ADN en dirección 5’ a 3’ leyendo la banda líder como plantilla (de 3’ a 5’). En otras palabras, primero verifica que el nucleótido nuevo corresponda (si fuera guanina sería citosina o si fuera timina sería adenina y viceversa). Después une el grupo 3-OH de dicho nucleótido nuevo con el grupo fosfato en 5’ del nucleótido anterior y así va creciendo la nueva banda de ADN en dirección 5’ a 3’. 2. Síntesis discontinua de la segunda hebra (también llamada cadena retrasada o complementaria). No existe una enzima que pueda construir en dirección 3’–5’ (leer de 5’ a 3’), por lo que la dirección de síntesis de la segunda hebra será en sentido contrario a como va creciendo la burbuja de replicación. Para ello se requiereN estos pasos: a) En primer lugar, la ARN polimerasa (primasa) sintetizará cebadores de continua sobre la hebra complementaria (fig. 2.55).
ARN
de forma dis-
b) A continuación la ADN polimerasa sintetiza fragmentos de ADN basándose en la plantilla 3’–5’ (la hebra original) y uniéndose al cebador ARN. Recordemos que la ADN polimerasa sólo actúa en bandas dobles. A estos fragmentos de ADN entre dos cebadores de ARN se les denomina fragmentos de Okazaky (fig. 2.56).
Figura 2.55
Se sintetizan discontinuamente cebadores ARN 5’-3 complementarios el ADN 3’–5’. Nótese que una de las bases de los cebadores ARN es uracilo. 73
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA c) Finalmente, los cebadores de ARN son desintegrados y sustituidos por fragmentos de ADN, lo que completa la nueva hebra 5’-3’ complementaria a la original 3’–5’ (fig. 2.57). Esto lo realiza la ADN polimerasa I. Si en el proceso de polimerización hubiera ocurrido algún error en la lectura, una serie de enzimas llamadas endonucleasas, como la denominada GATC, corrigen las bases erróneamente colocadas.
El ARN. Síntesis de proteína y maduración
Figura Fig igura ura 2 2.56 .56 56
La ADN polimerasa III sintetiza de forma discontinua los fragmentos de ADN (uniéndose así a los fragmentos de Okazaki) cebadores ARN y basándose en la hebra 3’–5’ como plantilla.
Figura 2.57
Las bandas de ARN fueron sustituidas por ADN por la enzima ADN polimerasa I.
Para responder la pregunta de cómo con tan sólo cuatro moléculas el ADN puede tener tal repertorio de información genética en cada especie y entre éstas, podemos partir de lo siguiente: Si se considera que la secuencia de nucleótidos en las hebras es específica para el genoma que posee cada especie, es sorprendente imaginar entonces el alto grado de complejidad que implica lograr la complementariedad en todos los pares de hebras de todo el ADN del genoma de las diferentes especies. Para explicarlo imaginemos el primer nucleótido del gen número uno del cromosoma uno. Éste puede ser uno de cuatro posibilidades: guanina, citosina, timina o adenina, lo que dependerá de la información genética heredada. El siguiente nucleótido de igual forma puede ser 1 de 4, de tal modo que la probabilidad de que se den los dos al mismo tiempo es de 4 3 4 = 16, o sea una de 1 en 16. Para el tercer nucleótido será de 4 3 4 3 4 = 64; es decir, la probabilidad es de 1 en 64. Si en una célula de mamífero la cantidad total de ADN es de alrededor de tres a cuatro millardos (miles de millones) de pares de bases formando los cromosomas. Podemos inferir que la probabilidad de que una secuencia específica de ADN (que codifique a una proteína determinada) se repita (o sea que la especificidad del ADN se baja) es casi nula. He aquí donde radica la riqueza de la variabilidad del ADN. Con las mismas bases, pero en diferente orden pueden existir variaciones pequeñas como las que hay en individuos de una misma especie, pero fenotípicamente distintos, por ejemplo, entre un hombre nórdico y una mujer africana. Más interesantes resultan las variaciones un poco más grandes, en las que con los mismos ladrillos, en diferente orden y cantidad, puedan existir organismos de distintas especies, géneros e incluso reinos, como puede ser una araña y un elefante, una flor y un ave, o una bacteria y un humano. Reflexionemos ahora en esto: todos los organismos poseen los mismos nucleótidos en su ADN y ARN, y además todos comparten un mismo código genético (como veremos a continuación), el cual presenta ligeras variaciones que resultan insignificantes ante los millones de especies.
74
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Para entender lo anterior comencemos por describir los procesos que involucran la síntesis de proteína: transcripción, edición del ARNm, traducción y uso del código genético. La síntesis de proteínas comienza con la transcripción, que consiste en elaborar una banda de ARN llamada ARNm o ARN mensajero, a partir de una banda de ADN genómico que servirá como molde o guía. La sección del ADN que se vaya a transcribir requiere tener una región promotora, una secuencia de ADN donde se asentará la ARN polimerasa dependiente de ADN. Estas regiones promotoras también son el sitio donde llegan unas proteínas que contribuyen al proceso de transcripción, conocidas como factores de transcripción. Las regiones promotoras además poseen secuencias específicas, por ejemplo en eucariotes la secuencia TATA (caja de Hogness-Goldberg) y en procariotes la secuencia promotora TATAAT (de Pribnow). Los factores de transcripción en eucariotes son conocidos como TFII-B, TF-IID, TF-IIE y TF-IIH. La transcripción inicia con la apertura de la doble hélice del ADN para formar una burbuja de transcripción, para ello actúan un serie de proteínas encargadas en girar la doble hélice y desenredarla, a continuación llegan otras proteínas que ayudan a tensionar las hebras para que no regresen a su estado normal. El TF-IID se une a la secuencia TATA, luego a este factor de transcripción se le une TF-IIB, después llegan TF-IIH, TF-IIE y TF-IIF, para finalmente acoplarse la ARN polimerasa (dependiente de ADN). La ARN polimerasa sintetizará ARN basándose en una hebra de ADN, es decir que la empleará como molde de lectura y en donde encuentre guanina en el ADN, pondrá citosina en el nuevo ARNm, donde detecte citosina pondrá guanina y si detecta timina pondrá adenina; sin embargo, si llegara a encontrar adenina en lugar de poner timina (como en la ADN polimerasa) pondrá uracilo. La ARN polimerasa sintetiza en sentido 5’-3’, o sea que la lectura del ADN será de 3’ a 5’.
Evaluación formativa Elabora un esquema que ejemplifique de forma breve y sencilla el proceso de los dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN y el ARN. Menciona sus características, diferencias y semejanzas. Explícalo durante la clase. Escoge la opción correcta y escríbela en el paréntesis. 1. Características que hacen diferente los nucleótidos del ADN con respecto a los del ARN.
(
)
(
)
(
)
a) Sus bases son: A, U, G y C y su azúcar es la ribosa b) Sus bases son: A, T, G y C y su azúcar la desoxirribosa c) La molécula de su azúcar tiene un OH en su carbono 2 d) Forman una cadena sencilla 2. Forman el nucleótido. a) La base nitrogenada unida al azúcar b) La base nitrogenada unida al fosfato c) La base nitrogenada, el azúcar y el fosfato d) El grupo fosfato y el azúcar 3. Forma en la que los nucleótidos se unen para formar una cadena. a) El grupo 5’ fosfato de uno se une al grupo 2-’ –OH del otro b) El grupo 5’ fosfato de uno se une al grupo 3’ –OH del otro c) El grupo 2’ H de uno se une al grupo 5’ fosfato del otro d) Cuando una base se une a otra 4. Característica que presentan las dos cadenas del ADN, al unirse sus bases en forma específica: la adenina se une sólo con la timina y la guanina con la citosina. ( ) a) Complementariedad
b) Exclusividad
c) Especificidad
d) Determinativa
5. Es la característica que poseen las dos cadenas de ADN por la que parece que una está de pie y otra de cabeza.
(
)
a) Son antiparalelas b) Son opuestas c) Se complementan d) Siguen una misma dirección 6. Es la dimensión lineal de un giro completo de la doble hélice de ADN. a) 0.34 nm
b) 34.0 nm
c) 3.4 nm
d) 340 nm
7. Nombre que recibe el doble giro del ADN, alrededor de las histonas en octámeros y la histona H1. a) Nucleosoma
b) Solenoides
c) Cromosoma
d) Surco mayor
75
( )
(
)
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Maduración del ARNm Al transcrito en formación (el ARNm que va surgiendo) se le añade por acción enzimática una cubierta o casquete (CAP) en su extremo 5’. Esta cubierta contiene 7-metilguanosina. No se sabe de forma precisa la función de dicha cubierta; sin embargo, se cree que sirve como protección al ataque enzimático (y su subsiguiente degradación), o probablemente ayuda al proceso de edición (ver más adelante) o colabora en la traducción. La señal de paro o stop que le dice a la ADN polimerasa para que deje de leer el ADN para transcribir hacia ARNm, no está muy bien definida, pero probablemente en eucariotes sea a secuencia AAUAA, aunque se ha observado que en ocasiones esta secuencia es rebasada y la polimerasa continúa varias bases después. En el caso de procariotes el doblez u horquilla que forme el propio transcrito pudiera funcionar como señal de terminación. También se sugiere la unión de la subunidad rho (ρ) de la polimerasa al complejo de transcripción. Después, cuando el transcrito (ARNm) está terminado es cortado y se expone su extremo 3’. Es ahí donde la polimerasa coloca una cola de poliA, es decir, que agrega varias adeninas (de 100 a 250) obtenidas del ATP a manera de un cola adherida en el extremo 3’. El ARNm contiene secuencias llamadas intrones, éstas no serán expresadas para ser traducidas a proteína. Por otra parte, el ARNm posee otras secuencias llamadas exones, que a diferencia de las anteriores, éstas sí se expresarán en la traducción proteica. La edición del ARNm consiste en cortar y eliminar los intrones y juntar y pegar los exones. Este proceso es llevado a cabo por un complejo de proteínas y ARN llamado esplisosomas. Una vez editado el ARNm tendrá que ser traducido a proteína. Para entender este proceso debemos señalar que en las células procariotas el ARNm es policistrónico, es decir, que una sola copia ARNm puede codificar a más de una proteína. En cambio, el ARNm de los eucariotes es monocistrónico, pues sólo puede codificar a una proteína. En caso de eucariotes, el ARNm migra desde el núcleo hacia el retículo endoplásmico rugoso, éste debe su nombre a su apariencia al microscopio óptico, como si fuera un empedrado, debido a la presencia de ribosomas. En el caso de procariotes, éstos carecen de núcleo y organelos membranosos como el retículo liso y rugoso. Por tanto, el proceso de transcripción y traducción se da en el citoplasma, casi de forma simultánea, cuando se está llevando a cabo la transcripción casi al mismo tiempo sucede la traducción. Por otra parte, los ribosomas eucarióticos poseen dos subunidades que según su gradiente de sedimentación (dado en unidades S o Svedberg) se les nombra como 30S y 50S, y en conjunto son 70S. Mientras que los ribosomas de procariotes poseen subunidades 60S y 40S, que en conjunto son 80S. Nótese que el factor de sedimentación total, no necesariamente corresponde a la suma del factor de las subunidades. A
A G G A A A U C G A A A U C
Figura 2.58
Ribosoma con sus regiones P y A.
Los ribosomas poseen en su interior tres regiones. Una por donde correrá el ARNm y otras dos a donde se asentarán los ARNt o ARN de transferencia (tARN en inglés). Dichas regiones son denominadas P y A. La P es por peptidilo y la A es por aminoacílico (fig. 2.58). El ARN de transferencia o ARNt posee una forma algo similar a una hoja de trébol de cabeza. En la porción 3’ del ARNt se encuentra enlazado un aminoácido, el cual es específico de su ARNt. Recordemos que el ARNt está hecho de ribonucleótidos y es por ello que un extremo de una hoja o doblez de la molécula posee una secuencia de tres nucleótidos (triplete) denominada anticodón, el cual se acoplará a su contraparte en el ARNm que es un triplete llamado codón (fig. 2.59). 76
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Como ya se mencionó, cada ARNt posee un aminoácido en particular; es decir, cada ARNt posee una secuencia anticodón y una estructura molecular tal que sólo pueda enlazarse a un aminoácido específico. Esto funciona como si existiera un código guardado (hasta hace poco) en secreto en el ADN, el cual es confiado al ARNm y a su vez descifrado por el ARNt para deducir qué aminoácido deberá de ser incluido en la cadena de proteína y así formar una proteína específica con una secuencia determinada (genéticamente) (fig. 2.60). Anticodón
El código genético Primera posición (extremo 5’)
U
C
A
G
Aminoácido
Tercera posición (extremo 3’)
Segunda posición U
C
A
C
Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Be Be Be Met Val Val Val Val
Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala
Tyr Tyr stop stop His His Gin Gin Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu
Cys Cys stop Tip Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly
U C A G
A
C
Figura 2.59
El ARNt posee un aminoácido en su extremo 3’ y su anticodón.
U C A G U C A G U C A G
Nota: esta tabla identifica el aminoácido codificado por cada triplete. Por ejemplo, el codón 5’ AUG 3’ del especifica metionina, mientras que CAU especifica histidina. UAA, UAG y UGA son señales de terminación (stop). AUG es parte de la señal de iniciación, además de codificar las metioninas interiores. ARNm
El código genético ya ha sido descifrado y sorprendentemente es compartido y conservado (pequeñas variaciones) por todas las especies. Esto significa que la secuencia de anticodón del ARNt que se requiere para un aminoácido determinado (ejemplo AAA para lisina) es la misma para casi todas las especies de seres vivos. Aunque ya se mencionó que la secuencia del anticodón es específica para un aminoácido, se ha observado que esta especificidad radica principalmente en las dos primeras bases, o sea que la última base (la tercera) puede variar, pero las dos primeras permanecen constantes, de tal suerte que pueden existir varias versiones de tripletes para un aminoácido, pero todos ellos compartirán las dos primeras bases. El ARNt llega a la zona P del ribosoma y une su anticodón con el codón del ARNm. El primer ARNt que llega es el específico para la señal de inicio y al mismo tiempo posee el aminoácido metionina. La secuencia de su anticodón es UAC (fig. 2.60). Posteriormente llegará al sitio A un segundo ARNt (con su aminoácido). Este ARNt tendrá que ser específico a la secuencia dictada por el ARNm (fig. 2.62).
77
U
Figura 2.60
El código genético.
Figura 2.61 MET
P
Unión del anticodón (ARNt) y el codón (ARNm).
A
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA MET
A continuación se forma el enlace peptídico entre los dos aminoácidos (fig. 2.63).
VAL
Una vez que ya se unió el aminoácido del primer ARNt al aminoácido del segundo ARNt, se desprende del primer ARNt. A continuación el ribosoma se corre hacia su derecha y desplaza y saca al primer ARNt, entonces el segundo ARNt (con los dos aminoácidos) pasa de la región A a la región P en espera de que llegue un tercer ARNt con otro aminoácido (fig. 2.64).
A
P
Figura 2.62
El segundo ARNt llega al sitio A.
Met
Figura 2.63
Después de la llegada del tercer ARNt se repetirá todo el proceso anterior, así hasta terminar la lectura del ARNm y a la vez completada la síntesis de la proteína nueva (figs. 2.65, 2.66 y 2.67).
Val
P sitio ARNt
P sitio ARNt
Enlace peptídico.
MET
Finalmente, hay tres codones que funcionan como señal de paro o stop, ya que no pueden ser leídos por los ARNt, éstos son UAA, UAG, UGA. Entonces la proteína será terminada y empezará a realizar la función para la que fue diseñada. Por otra parte, a otras proteínas se les adicionarán moléculas como lípidos o carbohidratos y se les denominarán lipoproteínas y glicoproteínas, respectivamente. Las funciones de las proteínas son muy variadas e incluyen desde enzimas, bombas de transporte celular, anticuerpos, estructurales, etcétera, y están codificadas por el ADN.
VAL
P
Procesos de control de la expresión génica
A
EL MODELO DEL OPERÓN Figura 2.64
El modelo del operón fue elaborado por Francois Jacob y Jacques Monod del Instituto Pasteur, de París, en 1961, para explicar los mecanismos genéticos de la síntesis de
El segundo ARNt pasa de la región A a la región P.
MET
VAL
ARG
P
A
MET
VAL
P
ARG
A
P
A
A GG A U G C A A A U C CA A A U C
Figura 2.65
Figura 2.66
Figura 2.67
El tercer ARNt pasa de la región A.
El segundo ARNt es sacado y su aminoácido es tomado por el tercer ARNt.
El tercer ARNt pasa de la región A a la región P en espera del cuarto ARNt y así va creciendo la cadena de proteína basándose siempre en la lectura del código del ARNm.
78
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Evaluación formativa Relaciona las columnas. Escribe en el paréntesis de la izquierda el número de la respuesta correcta para cada una de las preguntas. (
) Enzima que sintetiza el ARN mensajero, basándose en una cadena de ADN.
(
) Son secuencias del ARNm que no codifican aminoácido alguno y en eucariotas son retiradas.
(
) Es el sitio de síntesis de las proteínas.
(
) Molécula que sitúa el aminoácido específico en lugar de síntesis de proteínas, al acoplarse su anticodón con el codón del ARNm.
(
) Es el anticodón del primer ARNt que al llegar al sitio de síntesis se acopla al codón AUG del ARNm.
(
) Enlaces que forman la cadena de aminoácidos.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
TAC UAC ARN
polimerasa
ARNm ARNt
Intrones Exones Peptídico Glucosídico Ribosoma
proteínas. Esta teoría no sólo fue una propuesta para explicar la organización y regulación de la actividad genética, ignorada en aquella época, sino que sirvió como importante fuente de nuevas investigaciones experimentales que confirmaron su validez. Por este trabajo a André Lwoff, F. Jacob y J. Monod se les otorgó el premio Nobel en 1965. Los procesos bioquímicos que realiza la célula cambian de acuerdo con las condiciones de su ambiente externo, lo que quiere decir que la acción y la velocidad de producción de sus enzimas no son constantes y, por lo mismo, se deduce que la célula tiene un sistema de regulación para la síntesis de esas enzimas y de otras proteínas, que funcionan de acuerdo con sus necesidades. Los mecanismos propuestos por Jacob y Monod describían los procesos de inducción y represión de sistemas enzimáticos en las bacterias Escherichia coli, parásito del tubo digestivo de los mamíferos. Estos microorganismos, empleando como nutrientes solución de azúcares y sales minerales, sintetizan todo el material que requieren para su estructura y funcionamiento.
EL OPERÓN DE LACTOSA Cuando la bacteria Escherichia coli crece en un medio de cultivo que contiene glucosa no produce la enzima beta-galactosidasa, porque consume la glucosa de su entorno, pero en cuanto se coloca en un ambiente que contenga lactosa, casi de inmediato empieza a consumir la lactosa, para hacerlo primero sintetiza tres enzimas, entre éstas la beta-galactosidasa que desdobla el discarácido lactosa en glucosa y galactosa, de esta forma la bacteria podrá aprovechar estos monosacáridos como fuente de energía. La lactosa en este caso actúa como inductor de la síntesis de la enzima beta-galactosidasa. Jacob y Monod designaron las tres enzimas que se sintetizan por la inducción de lactosa con las letras siguientes: la beta galactosidasa (lac Z) con la letra Z, la galactosa permeasa (lac Y) con la letra Y, la tiogalactósido transacetilasa (lac A) con la letra A. Las investigaciones experimentales realizadas acerca de los procesos de represión y de inducción han demostrado que, aunque las bacterias sean poseedoras de la información genética para la síntesis de determinadas enzimas, dichos procesos se dan por la interacción de la célula bacteriana con el ambiente. Como ejemplo de un operón inducible se describe el sistema de regulación de la lactosa:
79
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Se llaman genes estructurales los que tienen como función codificar las enzimas y otras proteínas en el ARN, un operón puede tener un solo gen estructural o varios, en el caso de la lactosa son tres designados con las mismas letras con que se identifican las enzimas que se sintetizan por la inducción de la lactosa: Z, Y y A, estos genes estructurales que transcriben el mensaje genético en el ARN se encuentran sobre el cromosoma. A cierta distancia se localiza la región llamada operador que como veremos más adelante, controla la actividad de los genes estructurales. Después se ubica la región del promotor donde se une la enzima ARN polimerasa, para iniciar la transcripción del ARN. La unidad formada por los genes estructurales, el operador y el promotor se conoce como operón. Después se encuentra el gen regulador, que a través del ARN mensajero que transcribe, codifica la proteína represora que se une al operador, cuando son bajas las concentraciones de lactosa en su medio externo, lo que bloquea la actividad de la enzima ARN polimerasa e impide la transcripción del ARN en los genes estructurales y la producción de las enzimas que degradan la lactosa, mismas que resultan innecesarias. Es decir, no desperdician su energía produciendo las enzimas cuando no hay sustrato que degradar.
Figura 2.68
Operón de lactosa.
Evaluación formativa Parte I. Elabora un ejemplo de cómo se da el proceso entre células procariotas y células eucariotas.
Cuando el represor se une al operador se dice que el gen operador se encuentra reprimido y se elimina la represión cuando se inactiva el represor y se libera el operador, esto sucede ante la presencia de la lactosa (inductor), cuya molécula se une al represor y altera su estructura, lo que no le permite unirse al operador, situación que facilita que la ARN polimerasa tenga acceso a los genes estructurales, dando como resultado la producción de las enzimas que degradan la lactosa en glucosa y galactosa, que sirven como fuente de energía a la célula bacteriana.
Parte II. Escribe dentro del paréntesis de la derecha el número de la columna de la izquierda que corresponda a la respuesta corecta. 1. Es el momento en que se impide la transcripción de los genes estructurales del operón de lactosa. ( a) La proteína represora se une al operador b) El represor deja libre al operador c) El operador se une al promotor d) El inductor no se une al represor
)
Por eso se afirma que la actividad del operador está controlada por el gen regulador, ya que a través de la proteína represora que produce puede inhibir la acción del operador y no permitir la función de transcripción de los genes estructurales en ciertos casos (fig. 2.68).
Control de células eucariotas En células eucariotas la regulación de la transcripción al parecer es mucho más compleja que lo observado en procariotas con el operón, además se desconocen hasta el momento muchos de los pasos involucrados. Sin embargo, se ha dilucidado que la cromatina y su organización pudieran desempeñar un papel importante, de tal modo que las histonas (recordar los nucleosomas antes estudiados) pudieran funcionar como represores.
80
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Cuando segmentos de ADN están ordenados y empacados en las histonas se puede decir que se encuentran en un estado similar al reposo. En este momento la cola N-terminal de los aminoácidos de las histonas no están acetilados y, por tanto, los nucleosomas están estables. Para activar el ADN se requiere la participación de complejos de proteínas con actividad enzimática que acetilen la cola N-terminal de las histonas y así volver laxa la estructura del nucleosoma. Este complejo enzimático está compuesto por la ARN polimerasa II y factores de transcripción. A continuación ocurrirán los eventos antes señalados con la caja TATA y luego la transcripción, la cola de poliA, el CAP, la edición del ARNm y, finalmente, la traducción a proteína.
Oncogenes y cáncer De igual forma, la oncogénesis o generación de neoplasias, puede deberse a factores físicos, químicos y por microorganismos. Por otra parte, se han descrito tres grupos de genes asociados con la presentación de cáncer. 1. Oncogenes. Cuando se empezó a estudiar la biología molecular de los virus, se detectaron ciertos genes que codificaban para proteínas inductoras de neoplasias, es decir que producían neoplasias en los tejidos que infectaban. A estos genes se les denominó oncogenes. Por otra parte, el estudio del genoma humano reveló mas tarde la existencia de genes con secuencias similares a los virales, pero su función era desconocida. Tiempo después se observó que dichos genes participan en la regulación del ciclo celular, en la mitosis y meiosis, así como en diferenciación celular que sufren las células embrionarias para generar los diversos tejidos (a partir de un cigoto). A estos genes se les denominó protooncogenes. Investigaciones posteriores revelaron que cuando los protooncogenes recibían un estímulo que produjera alguna alteración se inducía la transformación de protooncogenes a oncogenes. Tales estímulos podían ser mutaciones puntuales de la secuencia, inserción de secuencias de retrovirus (HTLV-1, por ejemplo), amplificaciones génicas (mayor número de copias de ciertos genes), etcétera. Ejemplo de estos protooncogenes son: El protooncogén SIS, que es el que codifica para el crecimiento celular derivado de plaquetas.
PDGF,
por sus siglas en inglés, factor de
También el protooncogén EGFR, que codifica para el EGFR o receptor del factor de crecimiento epidérmico, EGF, por sus siglas en inglés. A este receptor se le conoce también como HER1. 2. Genes supresores del cáncer. Uno de los mecanismos con los que cuenta la célula para combatir los oncogenes son los llamados antioncogenes o genes supresores del cáncer. Se ha observado que la inhibición de estos genes supresores induce la producción de células cancerosas, ya que estos genes inhiben la mitosis y al estar bloqueados, la mitosis pierde control. Por ejemplo, la proteína sintetizada a partir del gen p53 detecta el ADN dañado y detiene el ciclo celular hasta que el daño sea reparado y en casos de daño severo induce la apoptosis. Por tanto, podemos decir que la p53 inhibe la mitosis cuando detecta daño en el ADN, pero ¿qué pasaría si el gen que codifica para esta proteína estuviera dañado? La proteína no sería sintetizada o probablemente no de forma funcional, bloqueando así su función inhibitoria de la mitosis y permitiendo la supervivencia, crecimiento y propagación de células defectuosas. De hecho, la sobreexpresión de formas mutantes de p53 es indicio de incapacidad para regular el ciclo celular y la apoptosis (muerte celular programada), y por eso está presente en células precancerosas y cancerosas como en el caso del cáncer cérvico uterino.
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Evaluación formativa Relaciona ambas columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponda a la respuesta correcta. (
) Son genes que codifican para proteínas inductoras del cáncer.
1. Moduladores
(
) Gen que regula la síntesis de una proteína y que detiene el ciclo celular para que el ADN sea reparado, cuando esto no se logra induce la apoptosis.
2. Quimioterapia
(
) Tratamiento para combatir el cáncer mediante sustancias químicas.
4. Oncogenes
(
) Genes relacionados con la regulación de invasión de células tumorales y de su propagación en todo el cuerpo.
5. Protooncogenes
(
) Produce el cáncer cérvico uterino.
7. Virus VIH
3. Radioterapia
6. Virus del papiloma humano 8. p 53
Otro ejemplo son los de arresto a la mitosis por defecto MAD (por sus siglas en inglés). Estos genes sintetizan proteínas que se unen a los cinetócoros en el momento en que éstos se unen a las fibras del huso mitótico. Si existe una falla en la unión se bloquea la anafase. 3. Genes moduladores. En el estudio de la secuencia genómica humana se han detectado secuencias de genes aparentemente relacionados con la modulación de la expresión de células cancerosas. Se cree que regulan la capacidad de invasión de ciertas células tumorales, así como la capacidad de metastatización o de propagarse por el cuerpo. También se ha sugerido su participación durante la respuesta inmune que se monta contra estas células. Finalmente, la alteración de cualquiera de estos tres tipos de genes desencadenará en la falta de control de la mitosis y una tasa de reproducción celular elevada, lo que producirá un crecimiento incontrolado del tejido al manifestarse como una tumoración o como una sobrepoblación de alguna línea celular en particular. El tratamiento para estos padecimientos se encuentra con el grave problema de que la causa que origina las neoplasias puede ser de origen diverso, por lo que los tratamientos se acoplan a las características propias del paciente, al tipo de neoplasia y al grado de evolución, entre otros aspectos. El tratamiento puede ser cirugía (extirpación del tumor), quimioterapia (tratamiento químico que daña células cancerígenas), radioterapia (radiaciones controladas que destruyen el tejido canceroso), etcétera. Lo más importante es consultar con el especialista y que éste canalice al paciente con profesionales del área. En México contamos con institutos de salud de categoría mundial, como el Instituto Nacional de Cancerología, orgullo nacional donde se encuentran especialistas del más alto perfil a nivel mundial y la capacidad técnica para solucionar muchos de estos problemas. Aunque no todo el cáncer es curable, muchos son tratables y algunos incluso son prevenibles. Por ejemplo, la hepatitis B, la segunda causa de muerte por cáncer a nivel mundial (después del cigarro) ya que produce el carcinoma hepático, ahora es prevenible por medio de la única vacuna hecha con tecnología de ADN recombinante que se aplica en humanos. Es decir que se extrajo el gen que codifica para el antígeno de superficie de la hepatitis B (HBsAg) y fue insertado en el genoma de una levadura (Saccharomyces cerevisiae) que no es patógena. Esto permite que el individuo monte una respuesta inmune solamente contra el antígeno de superficie (el más externo del virus y con el que hace contacto con la célula) y no corra el riesgo 82
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO de contactar con otros componentes del virus e infectarse; por el contrario, quede protegido fabricando anticuerpos que bloqueen la entrada del virus a la célula. De manera reciente, en noviembre de 2006, salió al mercado la vacuna contra el virus del papiloma humano (VPH). Este virus produce el cáncer cérvico uterino. Las jóvenes a partir de los trece años y bajo prescripción y vigilancia médicas se pueden aplicar esta vacuna, para que al llegar a la edad reproductiva se encuentren ya protegidas. Como se ha analizado a lo largo de esta unidad, el conocimiento de la estructura del ADN, de los procesos de replicación y síntesis proteica, y de los padecimientos que surgen por daño al material genético, así como el entendimiento de los temas tratados en las otras unidades, son aprendizajes que nos abren las puertas para adentrarnos al fascinante mundo de la biología molecular y celular, para acercarnos más a los avances tecnológicos y científicos que están aconteciendo en la época que vivimos, para comprender más el mundo que nos rodea y así servir mejor a nuestro país.
4. BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es la ciencia que estudia la transformación de materias primas en productos de utilidad para el ser humano, que se lleva a cabo por medio del empleo de microorganismos y sus metabolitos, así como en algunos casos utilizando células animales. Para ello recurre al análisis y modificación de las características fenotípicas y genotípicas de las células, el estudio de los procesos metabólicos y las condiciones en las cuales se llevan a cabo, y colabora en el diseño de los procesos de ingeniería.
Procesos microbiológicos Para llevar a cabo la biotransformación de la materia prima se requiere por principio, conocer ciertas características del microorganismo con el que se va a trabajar, por ejemplo: 1. Características fenotípicas del microorganismo. Es indispensable saber si se va a cultivar un microorganismo con flagelos, en forma esférica o si se agrupa en cúmulos, etcétera. Estas características tendrán repercusión en el proceso de agitación que se lleva a cabo en los biofermentadores (ver más adelante). 2. Características genotípicas que pueden dividirse en dos: a) Las secuencia nucleotídica y composición del genoma del microorganismo, es decir, con qué genes cuenta y si éstos poseen marcos de lectura de sobreexpresión, si se encuentran apagados, etcétera. b) Su comportamiento genético para transmitir ciertos caracteres, es decir, ¿cómo se propagarán ciertos genes deseables? y ¿cómo lo harán otros con efecto negativo?, se requiere conocer su dominancia y su recesividad. 3. ¿Cuáles son las condiciones óptimas de cultivo del microorganismo en cuestión? Para ello debemos considerar pH, temperatura, atmósfera (porcentaje y presión de diversos gases, oxígeno y CO2, por ejemplo), qué tipo y cantidad de nutriente requiere, etcétera. 4. Se debe tener en cuenta también que los microorganismos producen durante su etapa de crecimiento metabolitos de desecho, metabolitos primarios y metabolitos secundarios (estos dos últimos se revisarán adelante), los cuales podrían llegar a contaminar el producto final.
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Cultivo de bacterias El proceso de biotransformación de la materia prima se lleva a cabo en equipos llamados biorreactores o biofermentadores. Un biorreactor es el lugar físico donde se realizará el proceso de biotransformación, es decir, donde se cultivarán los microorganismos o en algunos casos, donde solamente reaccionen las enzimas de éstos con la materia prima. Los biorreactores pueden ser tan pequeños como una caja de Petri o tan grandes como toda una zona territorial de varios metros. Pero los que se utilizan de forma rutinaria en la industria de alimentos, farmacéutica y otras, no son mayores a un salón de clases. Para centrarnos en algún tipo de biorreactor, estudiaremos los de la industria de alimentos, que deben ser de acero inoxidable y variarán en forma y tamaño dependiendo de cada alimento, como se verá adelante. Para la selección del biorreactor debemos considerar, además de las características del microorganismo ya mencionadas, otras como: • Medio de cultivo. Composición, características fisicoquímicas (acidez, turbidez, precipitación, formación de burbujas, reacción con otros elementos, etcétera), facilidad para esterilizarlo (para evitar la contaminación del producto). Por ejemplo, la leche de vaca con la que se elabora queso, yogur y otros productos, debe cumplir con ciertas características antes de comenzar el proceso, en este caso la leche es el medio de cultivo o el sustrato para las enzimas microbianas. La leche debe cumplir con ciertas normas de calidad que incluyen su pH, porcentaje de grasa, ausencia de otros microorganismos (para ello se pasteuriza antes de mandarla a la elaboración de otros productos), y ausencia de cuerpos extraños, etcétera. • Características bioquímicas del proceso. Algunos productos requieren para su producción ausencia de oxígeno (por ejemplo ciertos quesos madurados), otros por el contrario cuando la cantidad de oxígeno disponible disminuye se interrumpe el proceso o se desvía hacia otro producto indeseable. Otras características bioquímicas del proceso son la temperatura, pH, masa molecular de la enzima, estabilidad molecular, etcétera.
Procesos de fermentación en la industria alimentaria En la industria de alimentos una de las formas en que la biotecnología participa es en la preparación y mejoramiento de cepas puras de microorganismos para los procesos de biotransformación, como sucede en la elaboración de levaduras liofilizadas (en polvo), que usa la industria de la panadería y repostería. También participa en la transformación genética y mejoramiento del trigo, para obtener un mayor rendimiento en la elaboración del pan y en el proceso de fermentación, como ocurre en la industria del vino o la cerveza. A continuación se revisan los procesos de biotransformación en la industria del queso, yogur, vino y pan. • Queso. Originalmente la elaboración del queso se realizaba colocando la leche no pasteurizada en un recipiente y añadiéndole posteriormente el cuajo o estómago del ternero lactante.
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BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO El cuajo es el estómago glandular del ternero lactante, este órgano produce una enzima llamada renina o quiosina, que coagula la leche y el consecuente precipitado de la fracción sólida de la misma. Actualmente ya se emplea la ingeniería genética para la producción a gran escala de la enzima, como veremos adelante, además se utiliza preferentemente la leche pasteurizada para darle al queso mayor calidad higiénica y características estándares ya que los microorganismos pueden hacer variar su sabor y composición. • Yogur. El yogur es un producto lácteo obtenido por la fermentación acidoláctica de la leche, tradicionalmente se elaboraba con los llamados búlgaros, grumos de leche que contienen cúmulos de una variedad heterogénea de microorganismos, predominantemente lactobacilos. Actualmente, en la producción de yogur se emplea leche pasteurizada para evitar que se contamine con microorganismos y sus metabolitos, lo que asegura su buena calidad y características. Los microorganismos empleados son de cepas puras con fermentación homogénea, los cuales convertirán la lactosa en ácido láctico. Los beneficios del yogur han sido estudiados de forma científica desde la época de Elie Metchnikoff, actualmente se le considera un excelente probiótico que ayuda, entre otras cosas, a inhibir el crecimiento de microorganismos patógenos.
ELABORACIÓN DE QUESOS Introducción La industria alimenticia data de tiempos ancestrales, probablemente desde que el ser humano dejó de ser nómada y comenzó a ser sedentario y edificar las primeras civilizaciones. En sus comienzos, la elaboración de los alimentos se fue dando de forma empírica y sin un registro real y científico del proceso. Algunos seguramente originados como producto de la casualidad. El queso por ejemplo, se cree que fue producto de un evento fortuito en el que pastores de Medio Oriente tenían que transportar leche fresca (obviamente sin pasteurizar) en estómagos de cabras o borregos, lo que aunado al calor del desierto generó la colonización y proliferación bacteriana y condujo a la coagulación de las proteínas de la leche y la separación de la fase sólida (queso) de la líquida (suero de leche). Se comenzó entonces a adicionar de forma rutinaria el estómago de terneros lactantes a la leche, lo que dio paso a la elaboración artesanal del queso. Posteriormente se obtuvo la enzima principal llamada quimosina o renina, por medio del sumergimiento del estómago en salmuera que la contenía. Después se logró purificar la enzima químicamente, lo cual aportó ventajas de estandarización en el proceso. Actualmente se han creado bacterias genéticamente modificadas que contienen el gen de la enzima y, por tanto, su producción a gran escala, altamente purificada, de mejor calidad y a menor costo. Objetivo • Elaboración casera de queso fresco tipo panela.
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Material • 5 litros de leche bronca de vaca (no industrializada)
• 2 ollas de acero inoxidable
• 1 cucharada de bicarbonato de calcio
• Pala de madera
• 3 ml de cuajo
• Paños limpios (tela de manta de cielo)
• 2 tazas cada una con un cuarto de agua tibia
• Termómetro
• Sal (al gusto)
• Molde
• 1 lata de chiles jalapeños en rajas (opcional)
• Cuchillo
Método 1. Hervir a fuego lento la leche (sin que se tire) por 5 a 10 minutos (80 a 90 °C) 2. Dejar enfriar la leche hasta que alcance 32 °C 3. Disolver el bicarbonato en un cuarto de taza de agua tibia 4. Disolver el cuajo en un cuarto de agua tibia 5. Agregar a la leche la solución del bicarbonato y después la del cuajo, simultáneamente remover con la pala de madera 6. Dejar reposar por 20 minutos 7. Verificar que se haya formado la cuajada (fase sólida de la leche) y que se observe el suero 8. Cortar la cuajada en trozos de 3 cm aproximadamente 9. Calentar por 10 minutos sin hervir (fuego muy bajo) 10. Vertir la cuajada a otro recipiente, pero cuele con la tela 11. Amasar la cuajada añadiendo sal 12. Añadir ahora los chiles si se desea y continuar amasando 13. Colocar en un recipiente a forma de molde y comprimir para eliminar el remanente de suero 14. Colocarlo en un lugar seco y limpio libre de contaminantes, roedores o insectos 15. Al segundo día estará listo para disfrutarlo
• Vino. Una de las ventajas que aportó el vino en sus inicios fue la posibilidad de disponer de una fuente de agua potable y de carbohidratos a la vez. Recordemos que los sistemas de suministro de agua potable aparecieron varias décadas después que el vino, asimismo, los primeros vinos no estaban altamente fermentados, por lo que su contenido alcohólico era bajo. Hoy en día contamos con fuentes de agua potable y el vino posee un mayor grado de alcohol; además, el consumo excesivo de bebidas alcohólicas está asociado con diversos padecimientos de salud y accidentes. El proceso de fermentación es del tipo alcohólica e intervienen levaduras como la Sacharomyces cerevisae que metabolizan la fructosa de las uvas para producir etanol y bióxido de carbono. En algunos tipos de vino se califica bien la presencia de gas (como en el Champagne), pero en otros no (como el Cabernet Sauvignon). Por tanto, las características del proceso de fermentación variarán en cada caso. El proceso de elaboración comienza con la recolección de uvas, las que son aplastadas y estrujadas. Si se conservan los orujos (tallitos y cáscara) se obtiene un vino tinto, si son eliminados se producirá un vino blanco. 86
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO El jugo obtenido se denomina mosto, el cual pasará a fermentarse en barricas de madera (roble blanco por ejemplo) y después del proceso de maduración se obtienen vinos de diferentes tipos. • Pan. El trigo empleado para la elaboración del pan contiene una gran cantidad de almidón, que es un polímero de glucosa. Éste es tomado por la levadura Sacharomyces cerevisae que lo desdoblará por medio de enzimas amilasas con la consecuente liberación de glucosa y bióxido de carbono. La característica de esponjado en el pan está dada por pequeñas burbujas de bióxido de carbono que se produjeron en la masa húmeda y que quedaron atrapadas cuando el pan al hornearse formó una costra que no permitió su salida, dándole una textura agradable.
Producción de antibióticos Los antibióticos son moléculas producidas por microorganismos (principalmente hongos) que causan la muerte de bacterias. El primer antibiótico conocido por la humanidad es la penicilina, producida por el hongo Penicillium notatum descubierto por Alexander Fleming; sin embargo, no poseía las herramientas tecnológicas para el aislamiento, identificación y producción industrial de la molécula. No fue sino hasta 1943 cuando por métodos de cultivo celular se pudo industrializar dicho medicamento. Actualmente se están desarrollando antibióticos a partir de microorganismos modificados genéticamente, para así reducir su toxicidad y efectos secundarios y aumentar su potencia y especificidad.
Técnicas de ingeniería genética Para llevar a cabo las modificaciones genéticas en los organismos se requieren diversas técnicas de biología molecular. Para explicar algunas pondremos el ejemplo de la insulina recombinante.
Evaluación formativa Parte I. Investiga algunas enfermedades que hayan sido tratadas con algún tipo de antibiótico. Parte II. Escribe en cada paréntesis la letra de la respuesta correcta. 1. Son algunas características genotípicas de los microorganismos que se tienen en cuenta en los procesos microbiológicos. ( ) a) La manera de propagación de genes deseables b) Sus condiciones óptimas de cultivo c) Sus metabolitos de desecho durante su crecimiento d) La forma y caracteres externos que presentan 2. Es el sitio donde se biotransforman la materia prima en los procesos microbiológicos. ( ) a) Laboratorio b) Campo c) Biorreactor
Un tipo de diabetes es causada por la ausencia (o baja producción) de la hormona llamad) Centrífuga da insulina, que permite la entrada de la glucosa a la célula, provocando así que el nivel de glucosa en sangre se eleve (al no poder entrar la glucosa a la célula y seguirla consumiendo en los alimentos), y por otro lado halla un déficit energético celular (al no poder introducirla); es como morir de sed cerca del manantial. En 1921, sir Frederick Grant Banting y su ayudante Charles H. Best determinaron que la insulina participaba de forma importante en la diabetes. Sus descubrimientos los llevaron a compartir con John James MacLeod el premio Nobel de medicina en 1923. De esta forma se comenzó a purificar la insulina de cerdos para aplicación humana. Este procedimiento implicaba la extracción de varios gramos de páncreas (órgano productor de insulina) a partir de cerdos sacrificados en el rastro, para obtener apenas algunos microgramos de insulina purificada, lo cual repercutía en el alto costo. En 1954, Frederick Sanger y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge aislaron e identificaron la estructura molecular de la insulina. El conocimiento sobre la secuencia de aminoácidos de la insulina favoreció en gran medida el arduo trabajo de deducir la secuencia de nucleótidos y, por tanto, determinar así, qué genes codificaban la proteína. Recordemos que en la síntesis proteica, cada aminoácido va unido a su ARNt y que el anticodón de éste corresponde a un codón del ARNm, 87
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA por ello, basándose en el código genético y conociendo la secuencia aminoacídica (de la proteína) se podía deducir la secuencia nucleotídica (del gen o genes). En 1978, Lydia Villa y Komaroff aislaban los genes que codificaban para la proinsulina que es la forma inactivada de la insulina. Años después se procedía a clonar en microorganismos el gen de la insulina por medio de la tecnología del ADN recombinante y así producir cantidades industriales que abarataron el costo del medicamento. La tecnología del ADN recombinante requiere (como ya se vio) de pasos previos, como son el conocimiento de la secuencia de aminoácidos de la proteína que se pretende producir a gran escala. El conocimiento de la secuencia aminoacídica de la proteína permite la deducción de la secuencia nucleotídica del gen que se desea expresar. Al saber lo anterior, se procede a su amplificación por medio de la tecnología de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés), es decir, que por medio del PCR se generarán varias copias de la misma secuencia de ADN. La tecnología del PCR se describe más adelante. Después de obtener una gran cantidad de copias de secuencias de ADN de la región del gen (no todo), que codifica para la proteína, se procede a su inserción en un plásmido bacteriano. Un plásmido es una unidad circular de doble cadena de ADN extracromosómico (no pertenece el ADN cromosómico) y autorreplicable (no necesita que se replique el ADN cromosómico para expresarse), que se encuentra en el citoplasma de muchas bacterias. Finalmente se requiere que esta región de ADN recién insertada al plásmido sea expresada y comience a sintetizar proteína (insulina) en gran cantidad. Al proceso de anexar una secuencia de ADN de una especie (humano en este caso) junto con el ADN de otra (la bacteria Escherichia coli, en este caso) se le llama recombinación, de donde obtiene el nombre de tecnología del ADN recombinante. Para trabajar con el plásmido e insertarle el ADN humano se necesita que éste se encuentre fuera de la bacteria, de hecho de forma comercial los laboratorios ya venden, tanto plásmidos separados como las bacterias sin plásmidos. Al proceso (posterior a la recombinación) en el que se introduce el plásmido ya modificado a la bacteria se le conoce como transformación. Una vez transformada la bacteria se procede a su cultivo para separar las bacterias que se modificaron; sin embargo, no se obtiene un índice de 100% de transformación. Las bacterias que expresen el gen reportero indicarán que fueron transformadas, en caso contrario esas bacterias fallaron en permitir la entrada del plásmido. Por último, la bacteria exitosamente transformada será propagada para producir generaciones enteras de células idénticas, proceso que recibe el nombre de clonación. De esta forma se producirá la proteína deseada en gran cantidad. Tanto el proceso de recombinación, como la transformación y la expresión del gen reportero se describen a continuación.
Tecnología del PCR Actividad con TIC Investiga por Internet los avances de la ingeniería genética, los beneficios y consecuencias de su uso. Después realiza una presentación grupal de la investigación.
Entre 1971 y 1974 el doctor Molineux describió la técnica de amplificación del ADN que después se conocería como PCR. Sin embargo, no fue considerada de utilidad y quedó recluida en el rincón del olvido científico. Para 1985 y 1988 Kary B. Mullis redescribió el proceso y ganó el premio Nobel de Química, en 1993. Este proceso trata de copiar de forma artificial lo que en la naturaleza ocurre como replicación del ADN, pero sólo que en el caso del PCR no se replica una gran cantidad de ADN, sino solamente una pequeña fracción de secuencia. 88
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO a)
b) Figura 2.69 A) ADN no desnaturalizado y b) ADN desnaturalizado.
Previamente al PCR se requiere de la obtención de células y la purificación del ADN de éstas. Por ejemplo, si se quiere amplificar la secuencia que codifica para una proteína determinada en el humano, se puede obtener una muestra de sangre y purificar los glóbulos blancos (leucocitos), posteriormente someterlos a todo un proceso de destrucción celular con fenol y cloroformo para obtener el ADN. Una vez obtenido el ADN se procede al PCR: 1. Desnaturalización térmica del ADN. Cuando el ADN se desnaturaliza por calor (alrededor de los 90 °C), sus bandas se separan, volviéndose a unir cuando la temperatura baja (fig. 2.69). Este fenómeno no es observado en las proteínas, ya que éstas se coagulan con el calor. Por ejemplo, la albúmina de huevo no se puede desnaturalizar y luego renaturalizar, es por ello que si enfriamos un huevo frito no vuelve a su estado líquido. Por otro lado, en el ADN sí se puede ver el fenómeno de desnaturalización y renaturalización a cierta temperatura, esta característica brinda la posibilidad de crear artificialmente y por un momento, una especie de horquilla de replicación para preparar el ADN para el siguiente paso (el acoplamiento de cebadores). 2. Apareamiento o hibridación de primers o cebadores. En la tecnología del PCR se emplean cebadores o primers, secuencias de ADN elaboradas en laboratorios comerciales especializados y previamente diseñadas por el investigador que realizará el PCR, que determina la secuencia de nucleótidos que tendrá (fig. 2.70). Los cebadores son secuencias de ADN con veinte nucleótidos en promedio, complementarias a uno de los extremos de cada una de las dos hebras del ADN. Es decir, si la hebra que va de 3’ a 5’ del ADN lleva la secuencia TCGA el cebador o primer irá de 5’ a 3’ con secuencia complementaria a esta hebra (AGCT), igual a la secuencia complementaria original del ADN.
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Figura 2.70
Apareamiento de cebadores en los dos extremos de la secuencia que se va a amplificar. Obsérvese que para este ejemplo se pusieron cebadores con sólo cuatro nucleótidos, pero en la vida real se emplean cebadores de veinte nucleótidos cada uno en promedio.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA De igual forma, a la secuencia del ADN que va de 5’ a 3’ se le unirá el cebador en dirección contraria de manera complementaria, es decir (según el ejemplo de la figura) a GGCA (de 5’ a 3’) se le unirá el cebador CCGT (de 3’ a 5’). Colocar los cebadores en uno de los extremos de cada una de dos hebras delimita la región de que se va a amplificar; sin embargo, se deben considerar dos aspectos:
ADN
a) Resulta obvio que para el diseño de los primers que el científico solicita al laboratorio comercial, se requiere previamente conocer la secuencia de la región que se desea amplificar. Algunas veces (y como y se vio) cuando se desconoce la secuencia nucleotídica se puede deducir a partir de la secuencia aminoacídica de la proteína. b) Uno se pregunta, ¿cómo le hacen los cebadores para unirse a la secuencia específica y no perderse entre tanto ADN? Recordemos el cálculo que se hizo en la unidad 2 respecto de la variabilidad genética entre las diferentes especies y la probabilidad de que un nucleótido siga a otro, esto es, si existe la posibilidad de que un lugar en la secuencia sea ocupado por cualquiera de las cuatro bases (A, T, C y G) la probabilidad de que un nucleótido siga a otro en una secuencia determinada es de 4 3 4 = 16. De igual forma, la probabilidad de que una secuencia de ADN (con veinte nucleótidos) empleada como cebador, se acople a una secuencia específica de ADN (de origen celular), es igual a la probabilidad de que después de un nucleótido determinado (G por ejemplo) le siga el otro (T por ejemplo) y así a lo largo de toda la secuencia del cebador (20 nucleótidos), lo cual equivaldría a 4 3 1020 por cada cebador, por tanto es casi imposible que el cebador se fije a una secuencia inespecífica de ADN, de tal modo que sí se puede encontrar dentro de todo el ADN de una célula la secuencia del ADN a la que se tiene que unir el cebador para delimitar la región que se requiere amplificar. El acoplamiento de los cebadores se da alrededor de los 60 °C. Sin embargo, la temperatura exacta es un punto crucial en esta tecnología, ya que aquí pueden ocurrir fracasos en la amplificación por no darse un acoplamiento correcto. Para corregir este problema el investigador calcula la temperatura ideal por medio de diversos cálculos matemáticos considerando el porcentaje de C y G que hay en el cebador (y por ende en la secuencia). Bajar la temperatura de los 90 °C a cerca de los 60 °C no renaturaliza el ADN, pero sí permite que las dos hebras se acerquen más. 3. Elongación o polimerización. Una vez acoplados los cebadores la temperatura de la reacción se eleva alrededor de los 70 °C para que la enzima polimerasa pueda actuar. Esta temperatura no logra separar los cebadores previamente acoplados (fig. 2.71).
Figura 2.71
Elongación en el PCR. 90
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO En la replicación del ADN, la enzima encargada de construirlo (a partir de una secuencia molde) es la ADN polimerasa. La ADN polimerasa no puede trabajar sobre una banda de ADN sola, requiere la presencia de un punto de inicio que dé la señal de acción de la polimerasa, este punto está conformado por dos bandas unidas, una hecha del ADN (celular) y otra un cebador de ARN (naturalmente producido por la célula). De estas dos bandas, una (la del ADN) se prolonga sola para formar la banda que funcionará como molde. En el caso del PCR la doble banda está hecha por el ADN (de origen celular) de la secuencia que se requiere amplificar y por el cebador (hecho en laboratorio). Al inicio, cuando la tecnología del PCR se empezaba a desarrollar, los cambios de temperatura se lograban al sumergir los tubos que contenían la reacción en varios recipientes con agua a distintas temperaturas deseadas, las cuales se iban pasando de uno al otro; como la primera temperatura (94 °C) desnaturaliza el ADN y también las enzimas (proteínas), entonces la polimerasa (que es una enzima) se requería aplicar hasta el final. Estos detalles convertían esta tecnología en un verdadero lío al tener que verificar temperaturas, sumergir tubos y abrirlos para añadir la enzima.
Figura Fig i ura 2 2.72 72
Aguas termales de Yellowstone donde habita el Thermus aquaticus.
Con el paso del tiempo estos problemas se fueron resolviendo, principalmente con dos avances: • El empleo de la Taq Polimerasa. Los científicos descubrieron que existen microorganismos que pueden vivir y reproducirse cerca de fuentes de aguas termales, las cuales superan los 100°C, lo que hacía suponer que estos microorganismos poseían enzimas termorresistentes (resistentes al calor). Efectivamente, uno de estos microorganismos, la arqueobacteria Thermus aquaticus (fig. 2.72), poseía tal enzima, la cual fue aislada y se le dio el nombre de Taq. Posteriormente se identificaron otros microorganismos como el Pyrococcus furiosus, del que se aisló la enzima Pfu; el Thermococcus litoralis, con la polimerasa Vent y el Thermus termophilus, que posee la Tth. Sin embargo, la más usada es la Taq polimerasa que es termo resistente y se podía aplicar al tubo de reacción al inicio del experimento. • El problema de la temperatura fue resuelto con el diseño de una platina térmica digitalmente controlada para elevar y bajar la temperatura según sea programada por el investigador, a este aparato se le llama termociclador (fig. 2.73). Los cambios de temperatura aun en esta platina llevaban algo de tiempo, pero actualmente los termocicladores son más precisos y hacen los cambios en segundos.
Figura Fig ura 2.73 2.73 73
Termociclador moderno.
Actualmente todo el proceso se lleva a cabo dentro de unos pequeños tubos plásticos de fondo cónico llamados Eppendorf. En estos tubos se pone la muestra de ADN, la enzima, los cebadores y los dNTPs, que son los desoxinucleótidos, nucleótidos de ADN que funcionarán como los ladrillos para ir construyendo el ADN. Una de las dudas que surgen cuando se comienza el estudio de esta tecnología es: ¿cómo sabe la polimerasa dónde detenerse y por qué no se sigue de largo? La respuesta se entiende cuando se sabe que un ciclo de PCR está hecho de los tres pasos que ya se describieron, pero que para la amplificación de una zona de ADN se requieren cerca de treinta ciclos. En los primeros ciclos, la polimerasa efectivamente se sigue de largo, pero conforme pasan los ciclos se van creando fragmentos del tamaño deseado y el número de copias es de varios millones (fig. 2.74). 91
Figura 2.74
Final del primer ciclo y comienzo el segundo ciclo de PCR.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Una vez que se ha logrado amplificar (copiar) millones de veces una región determinada de ADN, se procede a su observación. Para ello se toma una pequeña muestra del ADN amplificado y se coloca en un gel de agarosa, el cual se somete a una corriente eléctrica específica, a este proceso se le llama electroforesis (fig. 2.75).
Tecnología de la recombinación Las secuencias de ADN amplificadas pueden ser usadas como insertos o secuencias que se unan a plásmidos abiertos para la tecnología de recombinación (fig. 2.76). Figura 2.75
Gel de agarosa, revelado de la amplificación del PCR.
Los plásmidos pueden ser abiertos por enzimas llamadas de restricción, de origen bacteriano que cortan en puntos específicos; es decir, reconocen secuencias determinadas de ADN. Por otra parte, ya se venden comercialmente los plásmidos abiertos con puntos adhesivos, es decir, con nucleótidos libres que permiten que el inserto se pegue. Los insertos son pegados al plásmido por medio de enzimas llamadas ligasas. Los plásmidos poseen una secuencia que funciona como gen reportero y otra como inicio de la transcripción. Si el plásmido se logra cerrar, entonces la recombinación tuvo éxito; por tanto, la secuencia de iniciación de la transcripción funcionará sobre el inserto para la síntesis proteica y el gen reportero se podrá expresar para evidenciar que la recombinación fue exitosa.
Figura 2.76
Plásmido abierto con segmentos adhesivos (T y A).
El gen reportero puede ser un gen destinado a la resistencia a algún antibiótico (ampicilina por ejemplo) o el mismo operón de lactosa (fig. 2.77).
Tecnología de transformación y clonación Una vez que el inserto se recombina con el plásmido, se procede a introducirlo en una bacteria receptora (carente de plásmido). Este proceso se llama transformación. Hay dos mecanismos muy usados para la transformación: la electroporación y el choque térmico. La electroporación consiste en una pequeña descarga eléctrica que recibe la bacteria para permitir que se abran poros y facilitar así la entrada del plásmido. De igual forma el choque térmico es una variación de 4 °C (temperatura en la que se encuentran conservadas las bacterias) a 37 °C (temperatura fisiológica) por unos segundos. Figura 2.77
Regiones del plásmido.
Una vez transformada la bacteria se procede al cultivo y su posterior selección y clonación. La bacteria recién transfor92
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO mada se cultiva en medio líquido con nutrientes, después se pasa a cajas de Petri con medio de cultivo sólido que contiene nutrientes y el factor represor sobre el que actuará el gen reportero (antibiótico o lactosa). Si la bacteria transformada posee un plásmido cerrado, entonces podrá sobrevivir en un medio, ya sea con antibiótico o en presencia de lactosa (y no glucosa como en la mayoría de bacterias), de tal suerte que el gen reportero nos permite de alguna forma seleccionar las bacterias con recombinación y transformación exitosas. Éstas posteriormente serán clonadas; es decir, propagadas en gran cantidad para obtener bacterias exactamente iguales con información genética y perfil bioquímico idéntico, que serán capaces de producir en cantidades industriales la proteína codificada por la secuencia de ADN que se insertó.
Evaluación formativa Parte I. Ordena del 1 al 5 los pasos fundamentales de la tecnología de PCR. (
) Desnaturalización térmica del ADN.
(
) Elongación.
(
) Observación por electroforesis en gel del ADN amplificado.
(
) Purificación del ADN de las células que primero deben obtenerse.
(
) Apareamiento de primers o cebadores.
Parte II. Relaciona ambas columnas. Escribe dentro del paréntesis de la izquierda el número de la columna de la derecha que corresponda a la respuesta correcta. (
) Es la enzima de mayor uso para acoplar los nucleótidos en la tecnología de PCR.
(
) Aparato utilizado actualmente para los cambios rápidos de temperatura en PCR.
(
) Técnica que emplea como materia prima la muestra de ADN, los cebadores, los desoxinucleótidos y la enzima Taq polimerasa.
(
Productos obtenidos: transgénicos, vacunas, enzimas
) Enzima de origen bacteriano que corta en sitios específicos la molécula de ADN.
(
) Enzimas que pegan los insertos al plásmido.
(
Al emplear esta tecnología del ADN recombinante se ha podido modificar genéticamente diversos organismos, por ejemplo, para lograr alimentos transgénicos, vacunas y enzimas.
) Es el proceso de introducción del plásmido modificado a la bacteria.
(
) Facilita la entrada del plásmido a la bacteria.
(
) Proceso que consiste en obtener bacterias con igual información genética y perfil bioquímico idéntico.
Transgénicos
Ligasas PCR
De restricción Topoisomerasa Taq polimerasa Termociclador Helicasa Electroporación y choque térmico 9. Clonación 10. Transformación
El diseño de organismos transgénicos, por ejemplo en ciertas plantas, requiere además de la tecnología del ADN recombinante, el empleo de técnicas de cultivo celular vegetal. Se comienza por conocer la secuencia de ADN que se necesite insertar para dar a la nueva planta características de resistencia a plaguicidas, a insectos y aumento del aporte nutricional, mayor vida de anaquel, entre otras. Posteriormente se realizará la amplificación de la secuencia en cuestión, por ejemplo por medio de Siguiendo la recombinación de la secuencia amplificada con un plásmido. Existe una bacteria llamada Agrobacterium tumefaciens, que tiene la facilidad de infectar cierto tipo de plantas, de tal modo que logra acoplar su ADN bacteriano con el del vegetal. De esta forma se podrán transformar células vegetales como las encontradas en las raíces de algunas plantas. PCR.
Otro mecanismo de transformación es por medio de la inyección de ADN directamente al núcleo celular (proceso llamado microinyección de ADN), o por medio de biobalística, es decir, el disparo de partículas de ADN cubiertas con oro o tungsteno a velocidades supersónicas a través de un acelerador de partículas. Una vez transformada la célula vegetal se procede a su cultivo. Las células transformadas pueden provenir de semillas, raíces, tallos u hojas. Por medio del cultivo celular podemos obtener de una hoja un cúmulo de células que se transformarán en plántulas y luego en pequeñas plantas listas para sembrar y desarrollarse a la etapa madura y productiva. 93
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Ejemplo de plantas transgénicas son el maíz, jitomate, remolacha, algodón, melón, tabaco, papa, calabaza, calabacín, soja, trigo, alfalfa, girasol, naranjo, ciruelo, eucalipto.
Vacunas Otro campo donde se emplean las herramientas de la biotecnología es en el diseño de nuevas vacunas. Por ejemplo, en la prevención de la hepatitis B. La hepatitis B se adquiere por transmisión sexual, contacto con otros fluidos corporales, por lesiones percutáneas contaminadas con el virus (tatuajes y percings), etcétera. Dentro de las secuelas importantes encontramos la hepatomegalia (aumento de tamaño del hígado), cirrosis hepática, carcinoma hepatocelular y muerte. El carcinoma hepatocelular que produce la hepatitis B es la segunda causa de muerte por cáncer en el mundo, después del cigarro. El virus de la hepatitis B está clasificado como un virus envuelto; es decir, posee una capa externa elaborada con membrana citoplasmática celular (de células previamente infectadas). Esta envoltura tiene en todo su entorno una proteína llamada antígeno de superficie HBs Ag, la cual es la primera en contactar con los receptores celulares para infectar la célula. En el desarrollo de vacunas para la prevención de esta enfermedad se intentaron varios productos, como el empleo de virus inactivado (muerto) y de virus atenuado (vivo); sin embargo, no se obtuvieron los resultados esperados y, por el contrario, se corría el riesgo de infección. Actualmente se ha desarrollado una vacuna recombinante la cual emplea el gen que codifica para la HBsAg, insertado en una levadura inofensiva para el ser humano (Sacharomyces spp), de modo que el paciente queda protegido al elaborar anticuerpos contra el antígeno de superficie, así evita que el virus interactúe con la célula y la infecte.
Enzimas La biotecnología participa también en el diseño de nuevos productos como las enzimas, para su posterior empleo en la industria de alimentos, un ejemplo de éstos es la quimosina recombinante. En la elaboración artesanal del queso, como ya se vio, se emplea el cuajo de ternero para la coagulación de la leche; esto se debe a que el estómago (cuajo) del becerro lactante (ternero) produce una enzima llamada quimosina que ayuda a degradar las proteínas lácteas, esta enzima deja de producirse conforme crece el animal. Actualmente, en la industria moderna del queso se utiliza la enzima quimosina (renina) recombinante, que es obtenida a partir de hongos Kluyveromyces lactis o de Aspergillus niger los cuales han sido modificados genéticamente para que expresen los genes de origen animal (bovino) que codifican para la enzima. Esto implica el hecho de que se haya logrado la extracción de células de ganado vacuno y su posterior aislamiento y secuenciación de genes, que codifican para la quimosina para finalmente recombinarlo y expresarlo en microorganismos.
Actividad con TIC Presenta un video sobre las implicaciones del uso de la ingeniería genética y terapia génica y elabora un reporte puntualizando sus aportes, beneficios e implicaciones bioéticas.
Terapia génica: tratamiento de enfermedades Los avances de la biotecnología han llegado a resolver enfermedades de origen hereditario, convirtiéndose en una prometedora herramienta del futuro que ya ha empezado a dar sus primeros pasos. Al uso de recursos biotecnológicos y de ingeniería del ADN en el tratamiento de enfermedades se le conoce como terapia génica. 94
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Por ejemplo, existe una enfermedad llamada inmunodeficiencia combinada severa (SCID, por sus siglas en inglés), que se debe a la falla en un gen en el cromosoma 20 asociado con la enzima deaminasa de adenosina o ADA (enzyme adenosine deaminase), la cual es necesaria para el correcto funcionamiento del sistema inmune. Esta enfermedad se caracteriza por ausencia de linfocitos T y presencia de linfocitos B defectuosos, de tal modo que el paciente padece de numerosas y severas infecciones por microorganismos oportunistas que en condiciones normales no harían ningún daño. La cura antigua de esta enfermedad era la inyección de esta enzima, pero de origen bovino. Después se intentaron los trasplantes de médula ósea; sin embargo, el paciente receptor tenía que recibir la médula proveniente de personas sanas e inmunológicamente compatible. La terapia génica permitió transformar las células enfermas de la médula ósea del paciente para después ser introducidas en el bazo, así se reducía la complicación del rechazo y se permitía la presencia de células productoras de ADA en un organismo que no había nacido con la posibilidad de elaborar esta enzima. El 14 de septiembre de 1990 los médicos W. French Anderson, Michael Rosenberg y Kenneth Culver trataron exitosamente a la primera paciente, la niña Ashanti de Silva, en Estados Unidos. De igual forma están en vías de experimentación las tecnologías necesarias para la sustitución de genes supresores de los oncogenes, sustitución de protooncogenes defectuosos y modificaciones moleculares de activación del sistema inmune. Las perspectivas hacia el futuro de la terapia génica son muy prometedoras, y en nuestro país se empiezan a dar los primeros pasos en esta fascinante ciencia.
Bioética Criterios que limitan las aplicaciones de la ingeniería genética
Evaluación formativa Escoge la opción correcta y escríbela en el paréntesis. 1. Son organismos en cuyo material genético se ha integrado genes procedentes de otra especie. ( a) Transgénicos b) Clonados c) Emparentados d) Relacionados 2. Son otras aportaciones biotecnológicas que inmunizan el organismo contra ciertas enfermedades por medio de moléculas biológicas que generan anticuerpos específicos. ( ) a) Enzimas b) Antibióticos c) Vacunas d) Levaduras 3. Procedimiento por el cual es reemplazado un gen defectuoso por otro sano para curar una enfermedad genética hereditaria. (
b) Terapia génica
Muchos de los argumentos en contra de la biotecnología no están sustentados científicamente y caen en el terreno de la especulación y suposiciones amarillistas.
d) Biomedicina preventiva
c) Transgénico
4. Disciplina que pretende analizar los avances biotecnológicos a la luz de los principios y valores morales. a) Bioética
Por todo ello, la postura que se debe tomar ante tal revolución científico tecnológica debe ser crítica y de profundo análisis.
b) Biopsicosocial
Es cierto que existen además posturas religiosas, éticas y morales, ante esto resulta complicado abordar tales temas.
d) Biopsicomoral
Sin embargo, consideramos que resultaría pertinente que además se considerara también el beneficio hacia el individuo, sin el detrimento de su integridad física, moral,
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)
a) Transformación
Existe una gran controversia con respecto a la modificación genética de los organismos y el uso de los mismos.
Por otra parte, la postura de quienes defienden los avances de la ingeniería genética, están fuertemente influenciados por intereses económicos de compañías transnacionales que se dedican a la investigación y venta de productos transgénicos como plantas resistentes a plaguicidas, y que curiosamente han sido vinculadas con la venta de estos químicos.
)
c) Análisis biológico
(
)
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA psicológica o de otra índole, todo ello en cordial respeto y armonía con su entorno y en respeto a la vida, pero sin olvidar los beneficios que aporta el avance científico y tecnológico. Por ejemplo, cómo sería la humanidad actual si no pudiera contar con medicamentos producidos por ingeniería genética, como la insulina y los antibióticos. De igual forma, se han logrado obtener alimentos con alto contenido nutricional que ofrecen una ventana a la solución de la desnutrición mundial.
Figura 2.78
La variedad de productos que se utilizan en la alimentación proceden de organismos que forman la biodiversidad de especies.
Como ya se mencionó, existen intereses económicos muy fuertes que tienden a dirigir las investigaciones, las políticas y la forma de entender la biotecnología; por otro lado, hay intereses de desprestigiar y descalificar sin bases sólidas a la ciencia. Por todo ello debemos informarnos y analizar los estudios serios de los resultados que aportan las investigaciones científicas en nuestro país y en el mundo.
5. BIODIVERSIDAD El término biodiversidad se usa para referirse a la diversidad biológica, la cual abarca los ecosistemas terrestres y acuáticos, la diversidad de especies que forman las comunidades de cada ecosistema (fig. 2.78) y la diversidad genética que se forma del patrimonio genético que los individuos de las especies heredan de sus ancestros. Por tanto, la biodiversidad abarca tres niveles: el de ecosistema, el de las especies y el genético.
Biodiversidad en México
Figura 2.79
El conjunto de seres vivos que habitan la Tierra así como la interacción entre éstos constituyen la biodiversidad.
Muchos de los productos que utilizamos a diario no se producen en la localidad donde vivimos; por ejemplo, la piel con la que se fabrican nuestros zapatos se obtuvo del bovino o caprino de alguna región ganadera (fig. 2.79). La materia prima que se empleó para fabricar nuestras prendas de vestir procede de plantas que producen las fibras que se aprovechan en la industria textil. De alguna región conífera se obtuvo la celulosa con la que se fabricó el papel que se empleó para confeccionar tu cuaderno o libreta. También los productos que usamos en la alimentación proceden de distintas regiones, como la carne, el huevo, los lácteos (leche, queso, crema, mantequilla), el frijol, el maíz que se emplea para elaborar las tortillas, el café, el pescado y los mariscos; todos éstos y muchos más forman la enorme lista de productos que se obtienen de plantas y animales que componen la biodiversidad de especies de distintas regiones del país (fig. 2.80).
La evolución como factor que contribuye a la biodiversidad Los primeros organismos que existieron, de los cuales se derivó la diversidad de especies y cuya antigüedad se calcula de 3 500 millones de años, debieron tener características similares que las bacterias actuales. Es probable que los precursores de esas primeras células ya dispusieran de algún tipo de molécula que al autorreplicarse transmitía a la descendencia la información de sus características; gracias a ese rudimentario material genético se formaron copias de sí mismo. Figura 2.80
Los diferentes artículos que utilizas para tu arreglo personal son fabricados con materia prima que proviene de la naturaleza.
Las modificaciones que se presentaron en el material genético de esas primeras poblaciones de organismos unicelulares, que se generaron especialmente por mutaciones, propiciaron un incremento gradual de sus caracteres a través del tiempo. En esa variedad de caracteres operaría la selección natural; es decir, la naturaleza favorecía al grupo 96
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO de individuos cuyas combinaciones de su material genético hacían que presentara alguna ventaja de adaptación al medio, por lo que logró así su sobrevivencia y con ella la capacidad de dejar mayor número de descendencia en la que transmitía los caracteres estructurales, fisiológicos y de conducta que hacía a las nuevas generaciones más eficientemente adaptadas a su ambiente. De esta manera, se reconoce la acción de la variabilidad genética producto de los cambios en el material genético (genoma) de las poblaciones de organismos y de la selección natural como los principales procesos generadores de la variabilidad de la vida denominada biodiversidad. Los vestigios que hay de la evolución biológica demuestran que en la mayor parte (aproximadamente cinco sextas partes) de esos 3 500 millones de años que nos separan del inicio de la vida, fueron los organismos celulares los que existieron en la Tierra. La variedad de plantas que habitan en los diferentes ecosistemas evolucionaron probablemente a partir de las clorofíceas (algas verdes; figura 2.81) del medio acuático, cuyos descendientes invadieron el medio terrestre hace unos 500 millones de años.
Variabilidad genética
Variedad de caracteres
Sobrevivencia de los organismos con ventajas de adaptación al medio
Incremento de su capacidad de reproducción
Selección natural
Figura 2.81
Se cree que las algas verdes fueron el origen de las plantas terrestres.
Las mutaciones y las recombinaciones génicas promueven la variabilidad genética de las poblaciones, la cual genera la variedad de caracteres que heredan los organismos, sobre ésta actúa la selección natural favoreciendo a los que presentan ventajas de adaptación al medio, de esta manera logra que se prolongue su existencia y deje mayor cantidad de descendientes.
EL HAMBRE PODRÍA RESOLVERSE SI SE FAVORECIERA LA BIODIVERSIDAD Con el motivo de la celebración del Día Mundial de la Alimentación, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, por sus siglas en inglés) publicó el 16 de octubre de 2004 que más de 840 millones de personas padecen hambre y desnutrición en el mundo, y de ese total más de 40 millones son mexicanos.
En mayo de 2008, Alexander Müller, secretario general de la FAO, declaró: “nuestro planeta rebosa de riqueza biológica y esta gran diversidad es clave para afrontar la peor crisis alimentaria de la historia moderna”. La relación entre biodiversidad y agricultura fue el tema central del Día Internacional de la Diversidad Biológica 2008.
La FAO proponía en su declaración que gran parte del abasto alimentario pudiera resolverse si la población empleara mayor variedad de alimentos, ya que sólo consume como fuente de nutrición animal 14 tipos de aves y mamíferos, y de vegetal solamente cuatro: trigo, maíz, arroz y papa.
México se considera uno de los países megadiversos, ya que tiene mayores posibilidades de que sus habitantes aprovechen mediante un programa bien fundamentado otros recursos con similares propiedades nutritivas a las de los granos y animales que se consumen tradicionalmente.
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA De acuerdo con testimonios de fósiles, hace aproximadamente 550 y 530 millones de años (durante el más antiguo periodo geológico de la era Paleozoica) hubo un incremento rápido de grupos de animales, fenómeno que se conoce como explosión del Cámbrico, y que se calcula tuvo una duración de cinco millones de años. En ese periodo se establecieron los principales tipos anatómicos de la vida animal, de donde se cree que descienden todos los grupos que forman la fauna moderna (fig. 2.82).
México entre los países con mayor diversidad biológica
Figura 2.82
El registro de los fósiles también ha sido fundamental en el estudio de la evolución de los organismos.
Entre todos los países del mundo, hay 12 (Australia, Brasil, China, Colombia, Ecuador, Estados Unidos, India, Indonesia, Madagascar, México, Perú y República Democrática del Congo) que se consideran megadiversos, porque se calcula que en conjunto albergan entre 60 y 70% de la biodiversidad total del planeta. México es uno de ellos (fig. 2.83). El lugar privilegiado que ocupa nuestro país por su biodiversidad se debe a su compleja topografía, la cual se forma por regiones montañosas con altitudes superiores a mil metros sobre el nivel del mar, extensos valles y pronunciadas cañadas, ello aunado con las condiciones que determina la latitud, generan un mosaico climático donde se desarrolla una gran diversidad de ecosistemas y de especies. Además, al sur de México se entrelazan dos grandes regiones biogeográficas del mundo: la neártica y la neotropical. En la confluencia de estas dos regiones se encuentra una mezcla de flora y fauna del norte y sur de América, también una variedad de organismos endémicos. Los estados mexicanos que cuentan con mayor diversidad biológica en esta región son: Oaxaca, Chiapas, Veracruz, Guerrero y Michoacán. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo xx, las selvas del trópico húmedo que se localizan en la zona del sureste de la República, sufrieron un proceso acelerado de destrucción como consecuencia de la implantación de sistemas agropecuarios; esto es, la selva se reemplazó por pastizales o especies de cultivo, especialmente maíz. Esto condujo a la formación de fragmentos o islas de la selva de superficie variable y a la extinción de las especies que se resguardaban en esas zonas (fig. 2.84).
Figura 2.83
La ubicación geográfica de México determina su megadiversidad, lo que se refleja en una gran variedad de paisajes.
También la selva tropical húmeda se conoce como selva siempreverde o perennifolia; es decir, que tiene hojas perennes (que no pierde sus hojas en alguna temporada anual específica). En ella es común encontrar árboles de más de 50 m de altura, enormes lianas, palmeras de gran altura y plantas epífitas (que se adaptaron a vivir sobre otras plantas, figura 2.85). Las selvas del trópico húmedo contienen la mayor diversidad biológica, por ello se les considera el reservorio génico más importante de la biosfera. Se desarrollan en la franja donde predomina un clima cálido con lluvias todo el año, que se localiza entre el trópico de Cáncer y el trópico de Capricornio. Zonas áridas y semiáridas. Más de 40% del territorio nacional se compone de zonas áridas y semiáridas: la mayor parte de la península de Baja California; los estados de Sonora y Nuevo León; amplias zonas del altiplano que se extienden desde Chihuahua y Coahuila hasta Jalisco, Guanajuato,
Figura 2.84
Especies en peligro de extinción por el mal uso del suelo. 98
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Figura 2.85
Figura 2.86
Figura 2.87
La vegetación dominante de la selva tropical es arbórea. Los árboles de gran altura permiten un desplazamiento relativamente fácil.
Las piedras, la arena y los metales pulverizados que conforman el suelo del desierto son determinantes en el desgaste físico del borrego cimarrón de esas zonas.
Las condiciones de extrema pobreza de algunas comunidades rurales, han ocasionado la tala clandestina para la venta ilegal de madera, o el uso de estas áreas como tierras de cultivo.
Hidalgo y Estado de México; también, porciones de Puebla y Oaxaca. En este medio hay una gran diversidad de biznagas, nopales, sahuaros gigantescos y una variedad de agaves. También los matorrales y pastizales crecen en este bioma. Su fauna se compone principalmente de roedores, reptiles y algunos mamíferos: la liebre cola negra, la zorra, el coyote, el borrego cimarrón y otros (fig. 2.86). En las zonas áridas de los estados del norte de la República, la principal actividad productiva es la ganadería de bovinos. Hay zonas áridas donde se practica la agricultura temporal (que depende solamente de la escasa lluvia), la cual se enfoca al cultivo de maíz y frijol. En otros casos se aprovecha el cauce de los ríos para construir pequeñas obras hidráulicas o por la captación y almacenamiento de las aguas de lluvia las cuales se destinan a la agricultura, como ocurre en algunas entidades del noreste de México. En México, el bosque de coníferas se ubica fundamentalmente en la Sierra Madre Occidental, en el eje neovolcánico, en la Sierra Madre del Sur. Su clima es frío o templado y húmedo; aquí se presenta una producción forestal alta; por esta razón la principal actividad productiva se orienta a la explotación de la madera. La tala clandestina y los incendios forestales son las principales causas de su degradación, lo que también ocasiona la pérdida de la biodiversidad (fig. 2.87). Su fauna se representa por diversas especies de aves y algunos mamíferos como los ciervos, jabalíes, linces, pumas, lobos, zorros y ardillas. Los bosques caducifolios son propios de regiones que por sus condiciones climáticas sólo reciben lluvia en forma abundante durante el verano. Se encuentran en distintas zonas, especialmente en las planicies costeras del Pacífico y gran parte de la zona costera del Atlántico. En estos bosques crecen diversos tipos de vegetación cuya principal característica es perder sus hojas durante una parte del año. Los árboles llegan a medir hasta 15 m de altura. Son ejemplos de árboles de hojas caducas la ceiba o pochota, el nogal, el roble y el olmo. También este tipo de bosque sirve de refugio a diversas especies de aves, reptiles y algunos mamíferos como ciervos, gatos montés, topos y jabalíes. 99
Evaluación formativa 1. Explica cuáles son las posibles causas de la alta biodiversidad de las regiones tropicales. 2. ¿Cuáles son los factores que contribuyen a que México sea uno de los países megadiversos del mundo? Menciona la importancia que éstos tienen y cómo repercuten en tu región. 3. ¿Cuáles son las acciones humanas que contribuyen a la extinción de las especies en nuestro país?, ¿cómo se pueden evitar? Escribe al menos cinco propuestas. 4. ¿Qué actividades pueden desarrollarse en forma sostenible en tu comunidad para que se utilicen los recursos de la región? 5. ¿Cuáles son las causas por las que la región noroeste del Pacífico alberga la más alta diversidad de especies marinas? Argumenta tu respuesta y compártela con el resto del grupo. Elaboren una conclusión grupal.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Biodiversidad en el medio acuático México cuenta con más de 11 000 km de línea de costa, con casi tres millones de kilómetros cuadrados de superficie marina, aunado a ello los distintos ecosistemas costeros como, por ejemplo, los estuarios (cuerpo de agua semicerrado, donde se mezcla el agua continental y el agua marina), las lagunas costeras y otros ecosistemas de poca profundidad, que se denominan humedales, los cuales poseen una diversidad de especies del medio acuático.
Figura 2.88
Las perlas naturales son joyas creadas en el mar fabricadas por las ostras u otros moluscos.
Figura 2.89
Debido a la gran longitud que llegan a alcanzar, los manatíes sólo pueden ser sostenidos en un ambiente acuático, ya que en tierra su gran peso aplastaría sus órganos internos.
En el océano Pacífico se encuentra la más alta diversidad de especies marinas, entre las cuales sobresale una gran variedad de peces, crustáceos (camarones, cangrejos y langostas), moluscos (ostiones, mejillones, almejas, pulpos, calamares [fig. 2.88}) y equinodermos (estrella de mar, erizos y pepinos de mar). En la región noroeste del Pacífico, especialmente en el Golfo de California, se reproducen los mamíferos marinos: el lobo marino (Zalophus californianus), la foca común (Phoca vitulina), el lobo fino de la Isla de Guadalupe (Arctocephalus townsendi), el elefante marino (Mirounga angustirostris), la vaquita marina (Phocoena sinus), el manatí (Trichechus manatus), la ballena gris (Eschrichtius robustus) y el delfín tornillo oriental (Stenella longirostris). Se encuentran en peligro de extinción: la foca común, el elefante marino, la vaquita marina y el manatí (fig. 2.89). También, en el Golfo de México habita una gran variedad de peces, como por ejemplo, la sierra (Pristis antiquorum), el guauchinango (Lutianus spp), el robalo (Centropomus viridis), el barrilete (Katsuwonus pelamis) y los que se agrupan como picudos y tiburones (fig. 2.90). En la sonda de Campeche se captura el mero (Epinephelus morio) y el pulpo (Octopus sp) en la Plataforma Continental de Yucatán. En los ecosistemas costeros del Golfo de México y el mar Caribe hay abundancia de anfibios como los anuros (cuya característica principal es la ausencia de cola; por ejemplo, las ranas y los sapos); las cecilias (anfibios sin colas ni patas que parecen gusanos, con piel escamosa gris parda) y las salamandras. Asimismo, hay una diversidad de reptiles, entre los que están las tortugas y los cocodrilos. También el Golfo de México es hábitat de varias especies de mamíferos marinos; por ejemplo, la ballena azul, franca, minke y orca.
EL OCÉANO PACÍFICO ES LA ZONA QUE TIENE LA MAYOR RIQUEZA DE ESPECIES MARINAS El océano Pacífico recibe diferentes corrientes de agua que bañan las costas mexicanas. Por ejemplo, la Corriente de California que se forma en la costa sur de Alaska, la cual es de baja temperatura, recorre hasta América del Sur. En sentido opuesto, la Corriente Ecuatorial de aguas cálidas, circula desde Asia hasta las costas de América del Norte. A su vez, la Corriente del Pacífico Norte que procede del Japón choca contra la corriente de California. Estas corrientes poseen diferentes grados de temperatura durante el año. Además, el Golfo de California tiene su propio sistema de corrientes. Figura 2.90
Los factores ambientales influyen en el comportamiento de los tiburones, lo que dificulta las técnicas adecuadas para su captura.
Unido a esas corrientes superficiales de agua de distinta temperatura, hay otros factores físicos como los vientos dominantes, los efectos de fenómenos naturales como los derivados de los cambios atmosféricos y oceánicos que se presentan a lo largo del Pacífico, que se llaman “fenómenos del Niño”, junto con los propios factores de las aguas del océano Pacífico como
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BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
cantidad de oxígeno disuelto, salinidad, transparencia y circulación de nutrientes, entre otros, hacen de esta zona, especialmente la correspondiente al Pacífico Norte de la República, la más rica en especies marinas. Además de una gran diversidad de peces e invertebrados marinos, en el Golfo de California habita 40% de las especies de mamíferos del mundo, como las ballenas y los delfines, entre otros.
Técnicas de estudio de la biodiversidad Colecta (recolección) Es el proceso de capturar organismos vegetales o animales para la enseñanza o la investigación. Con frecuencia, en la enseñanza del nivel medio superior suelen emplearse organismos vivos o conservados en alguna sustancia para su estudio en forma directa y objetiva (fig. 2.91). Asimismo, para la investigación de campo a veces se requiere la colecta de organismos. Es importante realizar las colectas sólo cuando sea indispensable, pues de lo contrario contribuimos a la degradación ambiental. Los organismos que se capturan en su hábitat normal no sólo sirven para estudios ecológicos —sobre las interacciones con otros organismos con quienes conviven y con su ambiente físico—, sino también para conocer de ellos otros datos como: los taxonómicos para identificarlos y saber su ubicación filogenética, es decir, sus lazos de parentesco con otros seres vivos, y los etológicos para saber acerca de su comportamiento. Sea para la enseñanza o para la investigación, la colecta debe practicarse cuando sea estrictamente necesaria y en casos que no perturben el equilibrio dinámico de la población de los organismos que se capturen o de su ambiente, como en la captura de animales que por su sobreexplotación se encuentran en peligro de extinguirse o de especies que por su función trófica en la comunidad represente un peligro la reducción de su población.
Figura 2.91
Es importante elegir el método adecuado para la recolección de cada especie.
Por tanto, se debe tener la suficiente información acerca del ambiente físico de la zona y los especímenes que se pretenden colectar, como la función que desempeñan en su comunidad, su conducta y su ciclo biológico. De esta forma se garantiza un adecuado aprovechamiento de los organismos que se capturen. Para evitar el desperdicio de los organismos, debe disponerse del equipo necesario para una correcta captura (fig. 2.92). El equipo y material básico consisten en: • Un diario de actividades. Debe ser una pequeña carpeta con hojas que puedan desprenderse. Los datos que debe contener son: nombre de la institución, fecha, nombre del colector, lugares de la colecta, localización geográfica, altitud, latitud, condiciones climáticas y tipo de suelo, así como época del año y tipo de colecta. También resulta importante incluir las observaciones que en forma personal hacen los colectores. 101
Figura 2.92
La recolección en ríos requiere ciertas técnicas de lanzamiento para maximizar los resultados.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA • Catálogo de colecta. Es muy importante anotar en un catálogo los datos de los organismos que se colectan como: el número progresivo, su nombre vulgar, si se desconoce el nombre científico queda pendiente para investigarlo y anotarlo después, el nombre del lugar, tipo de clima. En caso de animales, anotar sexo, color, tamañoñ y en vegetales, tipo de suelo y tamaño de la planta, color y otros datos que se consideren importantes. • Mochila lateral o morral. Para transportar los utensilios necesarios para la colecta. • En el medio acuático, para la colecta se requiere una cubeta de plástico para transportar a los organismos en un poco de su medio líquido. Es indispensable un cuchillo de campo, para colecta de plantas o para desprender los organismos que se adhieren al sustrato.
Colecta en el medio acuático • Tamizado. Para capturar pequeños organismos que habitan en la arena de la playa se emplea el tamizado, que consiste en colar y revisar la arena minuciosamente. • Colecta submarina. Este tipo de colecta, cuando se trata de capturar organismos que se localizan en zonas de poca profundidad, se realiza en forma individual por buzos o personas especializadas y, que a diferencia de otras técnicas, se captura sólo el material que se desea. Para colectar en zonas profundas se emplea el batiscafo, que es un aparato de uso exclusivo de instituciones científicas. Tipos de redes que se emplean para la colecta de organismos del medio acuático: • Red de dragado. Este tipo de red sirve para extraer los organismos que viven en el fondo de las zonas costeras del mar, en lagunas o estuarios. Es una red resistente unida a un marco metálico que al arrastrarse en el fondo atrapa en la red a los organismos de esa zona. • Atarraya. Es una red circular (su diámetro es variable) con una cuerda en el centro y plomos en los bordes. La emplean los pescadores para atrapar peces y crustáceos. Para arrojarla extendida en el agua se requiere de práctica. Una vez en el agua se hunde por el peso del plomo. Después, el pescador jala por la cuerda del centro y retira la red con los organismos atrapados en ella.
Figura 2.93
• Redes de plancton (fig. 2.93). El plancton se forma por los microorganismos que se encuentran suspendidos en la superficie de las aguas. La red más usual para colectar el plancton es muy fina, tiene la forma de un cono, con una abertura en el vértice donde se le sujeta con una liga un frasco, que es donde se colecta el plancton.
Red de dragado y red de plancton.
102
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO Colecta en el medio terrestre La colecta en el medio terrestre se efectúa en forma más específica, es decir, sólo se obtiene la especie que se desea. • Colecta de bacterias. Las bacterias son microorganismos unicelulares con una longitud de 2 a 10 micras, son procariotas (carecen de núcleo definido), su ADN es simple, se localiza en el citoplasma en forma circular, se reproducen por bipartición. Algunas son patógenas (que parasitan en el cuerpo humano, en el de los animales y las plantas) y otras son saprobios que se nutren de la materia orgánica en descomposición. Existen bacterias que viven en el agua o en el suelo, como el Rhizobium spp que se aloja en los nódulos de las raíces de las leguminosas y transforma el nitrógeno molecular en nitratos que la planta aprovecha para producir sus aminoácidos. Las bacterias de vida libre se pueden colectar en agua de la llave, en ríos, arroyos o en aguas estancadas como lagos o charcos. Las que son parásitas se colectan mediante técnicas especiales, que utilizan los bacteriólogos. Generalmente, para estudiar a estos microorganismos es necesario cultivarlos en laboratorio. En los trabajos experimentales de genética han sido de gran valor. • Colecta de protozoarios. Los protozoarios son microorganismos unicelulares que presentan diversas formas. Son eucariotas (con membrana nuclear); por mucho tiempo se consideraron como animales unicelulares, actualmente se sitúan dentro de los protistas. Algunos viven en el medio acuático, otros como parásitos o simbiontes en el tubo digestivo de los animales. • Los rizópodos y ciliados se pueden colectar en muestras de agua estancada, en la superficie de estanques y lagos. Las amibas (rizópodos) se pueden localizar en el fango que contenga materia orgánica en descomposición. • Colecta de hongos. Los hongos, al no poseer clorofila no son autótrofos, sino heterótrofos saprobios o parásitos, se agrupan dentro de un reino aparte que se llama fungi. Los hongos microscópicos se cultivan en medios que contengan las sustancias y las condiciones necesarias para su desarrollo. Por ejemplo, en un frasco de boca ancha se coloca un pedazo de pan o tortilla humedecido y se deja destapado el frasco durante dos días en algún lugar donde no le llegue en forma directa las radiaciones solares. Después de ese lapso —tiempo suficiente para que caiga sobre el material humedecido esporas que transporta el aire—, se tapa el frasco y el pan o la tortilla se cubre de varios grupos de hongos como el Rhizopus stolonifer (moho del pan) en un periodo de 8 a 15 días. Para la colecta de los hongos macroscópicos debe usarse preferentemente una canasta o caja donde se guarden sin romperse. Los hongos macroscópicos que se colectan son los basidiomicetes como los del género Agaricus, conocidos como “champiñones”, son comestibles; la roya (grupo complejo de hongos), que ataca a gran variedad de cereales; la Amanita muscaria, que es venenosa; y el Psilocybe caerulescens que es alucinógeno.
Colecta de plantas • Colecta de briofitas. Las briofitas son las plantas de menor grado de complejidad que viven en lugares húmedos. No tienen tejido vascular, el cual conduce el agua con los nutrientes en solución al cuerpo del vegetal, tal vez por su tamaño pequeño no les sea muy necesario. Tampoco disponen de raíz, tallo y hojas definidas. Sus falsas raíces son rizoides, en vez de tallo cuentan con cauloide o caulidio y sus apéndices foliares se conocen como filoides. Las briofitas, como los musgos y las hepáticas, presentan alternancia de generaciones, y predomina en su ciclo biológico la fase haploide o gametofito que es más aparente que la fase diploide o esporofito. En la colecta debe procurarse que la planta se obtenga con sus rizoides y sus estructuras reproductoras. Después de limpiarla debe colocarse a modo que se exhiban las partes que la forman, para secarlas sobre hojas de papel periódico dobladas y hojas de papel secante intercaladas. 103
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA • Colecta de traqueofitas. Las traqueofitas son plantas vasculares porque disponen de sistemas conductores especializados (xilema y floema). Presentan una mejor adaptación al medio terrestre que las briofitas. En su alternancia de generaciones tiene supremacía la fase esporofito sobre el gametofito, situación inversa a las briofitas. Las traqueofitas disponen de órganos definidos: raíz, tallo y hojas. • Colecta de helechos. Cuando el vegetal es muy grande deben cortarse solamente algunas frondas, de preferencia las que contengan en forma visible sus esporangios (soros). Para el secado, algunas hojas deben colocarse de manera que muestren los esporangios (fig. 2.94).
Figura 2.94
Recolección de plantas.
• Colecta de coníferas. Además de las ramas terminales de estas plantas se deben colectar los conos masculinos y femeninos. Así como reunir toda la información que facilite su identificación, como la talla del árbol, la forma en que se ubican los conos en las ramas, etcétera. • Colecta de plantas con flores (angiospermas). Es importante que la parte del vegetal que se colecta reúna el mayor número de estructuras que caracterizan a las angiospermas, especialmente flores, frutos y semillas.
CONSERVACIÓN (HERBARIOS, COLECCIONES) Cualquiera que sea la finalidad de la colecta de las plantas se puede formar un herbario con los ejemplares reunidos para que puedan conservarse mejor. El herbario es una colección de plantas que se deshidratan e identifican con fines didácticos o de investigación. Posiblemente, el antecedente del herbario hayan sido los jardines botánicos que fundaron los estudiosos de la flora en las antiguas civilizaciones, como los de Mesopotamia y Egipto; con ello la colección de plantas secas vino a ofrecer una alternativa a la forma de estudio de la flora con ahorro de espacio y costo.
Figura 2.95
Carl von Linneo científico sueco que sentó las bases de la taxonomía moderna.
Evaluación formativa En equipo, analicen las principales características que presentan las plantas, animales y hongos más representativos de la región e identifiquen su importancia ecológica, económica y propongan las medidas necesarias para su conservación. Elaboren un proyecto de investigación para el aprovechamiento sostenido de las especies que analizaron y preséntenlo ante el grupo, destacando la importancia que tiene conocer dichas especies.
En el siglo XVIII, Carl von Linneo (fig. 2.95) propuso un sistema para la clasificación de las plantas. A él se debe la división de los organismos en género y especie, y aunque ya había la proposición del sistema binominal para los nombres científicos, Linneo fue el promotor del empleo de los dos nombres en latín para las especies, que actualmente se acepta en forma internacional. Linneo creía que el mundo natural era fijo, estático, que no tenía cambios y que existía el número de especies que se crearon por el ser infinito desde un principio. Con la aportación de Linneo se facilitó la clasificación de los vegetales para la formación de los herbarios.
PRENSADO DEL MATERIAL COLECTADO Las plantas que se colectan para secarse se extienden cuidadosamente sobre hojas de papel periódico doblado. Las angiospermas deben exhibir las estructuras florales. Se colocan intercaladas con papel una después de otra en la prensa, que es una doble rejilla de madera que se amarra con una correa o mecate (fig. 2.96). Para asegurar la mejor conservación de las partes del vegetal y evitar que se contaminen por hongos, se debe cambiar el papel periódico cada 24 horas, y cada muestra se reacomoda en su posición original.
104
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO OBSERVACIÓN, IDENTIFICACIÓN, ETIQUETADO Y MONTAJE Para identificar las plantas colectadas se hace necesario contar con un buen acervo bibliográfico que contenga la descripción de los tipos de plantas.1 La etiqueta debe contener los datos del catálogo de colecta: • • • • • • •
Número progresivo. Género y especie. Nombre vulgar. Nombre del lugar de la colecta. Municipio. Estado. Tipo de vegetación. Tipo de clima y de suelo. Nombre del colector. Fecha de la colecta.
Figura 2.96
Una prensa de deshidratación.
Para el montaje, el ejemplar se coloca en posición vertical sobre una cartulina de 4.5 por 28.5 cm. Se fija con papel engomado. La etiqueta se pega en la parte inferior derecha de la cartulina.
Colecta de animales Hay diversos métodos para colectar muestras de animales, a continuación se describen algunos: • Para capturar aves e insectos de entre las hierbas se usan redes de diferentes formas y tamaños. • De las hojas de árboles que se pueden seleccionar al azar, se colectan insectos, como áfidos (pequeños insectos herbívoros) y ácaros (pequeños arácnidos parásitos de plantas y animales), los cuales se desprenden de ellas al aplicarles alguna solución jabonosa.
Actividad con TIC Elabora un ensayo donde reflexiones sobre la importancia biológica, económica, cultural y medicinal de la biodiversidad, sobre las acciones del ser humano como modificador de la biodiversidad, haciendo uso de las TICs.
• Los organismos de muestras de suelo se colectan con el empleo de embudos. Método de embudo seco. Sobre una malla de alambre, que se coloca en la parte superior del embudo, se deposita la muestra de suelo y al calentar la superficie de la muestra, los organismos que alberga se trasladan a la parte inferior del embudo; después, se colectan en un depósito que contenga una solución para su preservación. Método de embudo húmedo. La muestra dentro de una bolsa de malla se coloca y ésta se deposita en la parte superior del embudo lleno de agua. Se calienta la muestra y propicia que los organismos que contiene pasen de la red dentro del agua a la parte inferior del embudo y sean colectados en un depósito con una solución para su preservación. Las lombrices de tierra se pueden extraer con el empleo de sustancias químicas como la formalina (solución al 2%), la cual se riega en el suelo.
1
Por ejemplo, en la Ciudad de México es de gran utilidad la obra La flora del Valle de México, del maestro Óscar Sánchez S., de Editorial Herrero. 105
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Objetivo Elaborar un herbario. Consideraciones teóricas El herbario es una colección de especímenes vegetales que se preservan en forma deshidratada (seca) y que se identifican con fines didácticos o de investigación. La importancia que tiene el estudio de las plantas radica en su función como productoras de alimentos, como materia prima en la industria de la construcción y para la fabricación de medicamentos, prendas de vestir, elaboración de papel y otros productos. La técnica que se emplea para conservar las muestras de plantas en el herbario consiste principalmente en los siguientes procedimientos: colecta, prensado, observación e identificación. Material • Catálogo de colecta.
• Papel periódico.
• Mochila o morral.
• Etiquetas.
• Cuchillo de campo.
• Cartulina de 28.5 3 4.5 cm.
• Rejillas de madera (2).
• Papel engomado.
• Mecate. Procedimiento Colecta
Con la guía del profesor y en equipos, organicen una visita a un lugar cercano donde puedan realizar la colecta de las plantas que más abundan en el área; deben procurar que las muestras contengan las estructuras representativas de la planta. En el catálogo de colecta se debe anotar: el número progresivo de los especímenes, nombre vulgar (el nombre científico se investigará para después anotarlo), el nombre del lugar de la colecta, tipo de clima y suelo. Prensado
La prensa se forma de dos rejillas de madera que se amarran con dos correas o mecates. Cada planta colectada se extiende sobre papel periódico. Las angiospermas se colocan de tal manera que exhiban sus flores. Después se pondrán a secar en la prensa, una después de otra, siguiendo el número progresivo el cual se anota en el catálogo de colecta. Para evitar que se contaminen con hongos se recomienda cambiar el papel periódico cada 24 horas. Observación e identificación
Para identificar la planta es necesario observar todas sus características, casi todas se conocen por el nombre vulgar que en cada región se le da; cuando se desea conocer el nombre científico se recurre a la bibliografía especializada. Finalmente, se procede al montaje de los ejemplares sobre una cartulina de 28.5 × 4.5 cm, los cuales se fijan con tiras de papel engomado. En la parte inferior derecha de la cartulina se pega la etiqueta con los datos del catálogo de colecta; se incluye el nombre del colector. Con tu material y el de los demás integrantes de tu equipo formen un solo herbario; se debe dar a conocer a todo el grupo, y se explican las características que presentan las plantas que se colectaron y la utilidad que tienen desde el punto de vista ecológico y económico, así como su aprovechamiento sostenido.
106
Evaluación sumativa Parte I Completa en forma breve las siguientes expresiones. 1. Característica de las barreras primarias de defensa por la que su diseño y su efecto no están dirigidos a un determinado microorganismo:
2. Son células de defensa tisular que por señales químicas son atraídas al sitio de una infección:
3. Respuesta inmune activada por citocinas del Th1 que propicia el aumento de macrófagos y de su actividad fagocítica
4. Define los conceptos de antígeno y anticuerpo.
5. Enfermedad para cuya prevención se suministra la vacuna Sabin:
Parte II Selecciona la letra de la opción correcta y anótala en el paréntesis. 1. Tipo sanguíneo en el que la membrana de sus eritrocitos carece de cualquier tipo de antígeno.
(
)
(
)
3. Son antígenos leucocitarios humanos localizados en la superficie de cualquier célula nucleada del organismo que deben ser compatibles entre el donador y el receptor de tejidos. (
)
a) A
b) B
c) AB
d) O
2. Vacuna que protege contra la difteria, tos ferina y tétanos. A) SRP
A) HLA
B) BCG
C) DPT
B) TCR
C) CD8
D) HVB
D)
LgM
4. Es la región de la enzima, la cual se une al sustrato. a) Región del cofactor
b) Región de la coenzima
c) Sitio activo
b) Liasas
c) Isomerasas
b) Deformación
c) Alcalinidad
b) Irreversible
c) Acompetitiva 107
)
(
)
(
)
d) Acidez
7. Tipo de inhibición que ocurre cuando una molécula inhibidora al unirse con la enzima cambia su estructura y altera permanentemente la conformación de su sitio activo. a) Reversible
( d) Ligasas
6. Alteración que se presenta en la conformación estructural y funcional de la enzima por efectos de la variación de su pH y temperatura. a) Desnaturalización
)
d) Sitio de ajuste
5. Fueron conocidos primero como sintetasa, catalizan la unión de moléculas en la formación de enlaces. a) Hidrolasas
(
d) No competitiva
8. Enzima que tiene su sitio de regulación diferente al activo, donde se une a una molécula de regulador produciéndose un cambio en su conformación. ( ) a) Catalítica
b) Alostérica
c) Coenzima
d) Holoenzima
9. Subunidad constituida por una base nitrogenada, un azúcar y un grupo fosfato. a) Monosacárido
b) Ácido graso
c) Aminoácido
(
)
(
)
d) Nucleótido
10. Características que hacen diferente al ARN del ADN. a) Tiene timina y uracilo y es de doble cadena b) En vez de uracilo tiene timina y en lugar de ribosa tiene desoxirribosa c) En vez de timina tiene uracilo y en lugar de desoxirribosa tiene ribosa d) Tiene timina y es de doble polímero
Parte III Relaciona ambas columnas, escribiendo en cada paréntesis el número de la respuesta correcta. (
) Propiedad de las bases del ADN, por la que la A sólo se une a la T y la G a la C.
1. Nucleosoma
(
) Característica del ADN que se da porque en una cadena la desoxirribosa tiene su carbono 5’ hacia arriba y 3’ abajo y en la cadena opuesta el carbono 3’ arriba y 5’ abajo.
2. Transcripción de genes
) Nombre que recibe la unidad formada por una doble vuelta del ADN alrededor de un complejo de ocho moléculas de histona y la histona H1 que sostiene los giros del ADN.
5. Complementariedad
(
3. Por recombinación 4. Por escisión
6. Mutaciones puntiformes 7. Mutaciones cromosómicas
(
) Son secuencias del ARNm que se expresan en la traducción de proteínas.
(
) Es el sitio de síntesis de las proteínas.
(
) Sucede cuando el inductor se une al represor en el operón de lactosa.
10. Ribosomas
(
) Son alteraciones que se encuentran en la secuencia de bases del ADN.
11.
(
) En este tipo de reparación el tramo correcto del ADN se copia de una molécula y se empalma en otra para cubrir el hueco.
12. Intrones
) Genes que pueden desencadenar la producción de proteínas que genere algún tipo de cáncer.
14.
(
(
8. Orientación antiparalela 9. Conservativa
ARN
polimerasa
13. Exones ADN
recombinante
15. Terapia génica
) Periodo de la biotecnología en el que es posible manipular el material genético y crear organismos transgénicos.
16. Empírico
(
) Tecnología que ha permitido la inserción de un gen humano en bacterias para que éstas produzcan proteínas terapéuticas.
18. Oncogenes
(
) Técnica que se emplea para reproducir in vitro y en breve tiempo segmentos de ADN.
17. De la ingeniería genética
19. Supresores
108
20. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
Parte IV Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿Cuáles son los factores que contribuyen a que México sea uno de los países megadiversos?
2. ¿Por qué la evolución es un factor que ha dado lugar a la biodiversidad?
3. ¿De qué manera regula la selección natural la variabilidad?
4. Define el concepto de adaptación.
5. ¿Qué diferencias hay entre adaptaciones morfológicas, fisiológicas y de comportamiento?
Parte V Escribe en cada paréntesis la letra de la opción correcta 1. Constituyen la fuente original de las variaciones en las poblaciones de organismos.
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
a) Los cambios por mutaciones genéticas. b) Los cambios aleatorios en la frecuencia de alelos de una población pequeña. c) Los movimientos de alelos por migración entre poblaciones. d) La colonización de una pequeña población en una zona nueva. 2. Hace que los organismos sanos y vigorosos prolonguen su existencia y dejen mayor cantidad de descendientes. a) Recombinación génica
c) Deriva génica
b) Selección natural
d) Flujo genético
3. Son los principales procesos que generan la diversidad biológica. a) Las adaptaciones a la coloración de ocultación. b) Las adaptaciones morfológicas de depredadores y presas. c) Las variaciones del genoma y la selección natural. d) Los tropismos y los tactismos. 4. Son las regiones que tienen mayor riqueza biológica. a) Árticas
b) Antárticas
c) Frías
d) Tropicales
5. Se define como la variedad de genes, especies o de ecosistemas de los organismos. a) Abundancia
b) Dispersión
c) Diversidad
109
d) Distribución
6. Es uno de los factores que contribuyen a que México sea uno de los países megadiversos.
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
a) Por su ubicación en el hemisferio Norte. b) Por su compleja topografía de donde se origina un mosaico climático. c) Debido a su extensión territorial donde se forman diversos ecosistemas. d) Debido a su política conservacionista. 7. Es el proceso de adecuación de los organismos a la presión ambiental que se logra por la combinación de caracteres heredados. a) Adaptación
b) Transformación
c) Ajuste
d) Acomodación
8. Comportamiento en los animales determinado por los genes, que se ejecuta como respuesta a un estímulo. a) Innato
b) Adquirido
c) Aprendido
d) Condicionado
9. Tipo de adaptación desarrollado por los osos polares cuando entran en un estado de latencia en el cual disminuyen su actividad metabólica. a) Morfológica
b) Fisiológica
c) De comportamiento
d) De conducta
10. Tipo de adaptación en la que las presas se mimetizan para adquirir la apariencia de la especie de mal sabor y así evitar la acción de los depredadores. a) Mimetismo batesiano
b) Mimetismo mülleriano
c) Coloración críptica
d) Dimorfismo sexual
Parte VI Relaciona ambas columnas escribiendo en cada paréntesis el número que corresponda (
) Coloración que adquieren los animales, que se parece al medio donde viven y que les ayuda a ocultarse de sus depredadores.
(
) Tipo de adaptación que desarrollaron aves y mamíferos que mediante su proceso metabólico generan la temperatura corporal.
(
) Tipo de comportamiento que ejecutan los perros que bailan y saltan diferentes obstáculos.
1. Colecta 2. Producción de alimentos y modificación favorable del clima 3. Manejo sostenible 4. Protectora o críptica 5. Herbario
(
) Es la base del comportamiento animal.
(
) Medio natural cuyo clima es frío o templado y húmedo con una alta producción forestal.
(
) Zona que se caracteriza por poseer gran variedad de mamíferos marinos.
8. Endotermia
(
) Técnica de estudio de la biodiversidad que debe evitarse cuando se trata de especies en peligro de extinción.
9. Golfo de México
6. Prensado 7. Ectotermia
10. Golfo de California
) Es la colección de plantas deshidratadas que se utiliza en la enseñanza o en estudios de investigación.
11. Innato
(
) Son algunas contribuciones ecológicas de las plantas.
13. Información genética
(
) Propone el uso de los recursos en la medida que garantice su conservación para las generaciones futuras.
(
110
12. Aprendido 14. Bosque tropical húmedo 15. Bosque de coníferas
BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIODIVERSIDAD EN MÉXICO
Rúbrica de evaluación Nombre del alumno:
Niveles Aspecto a evaluar
4 Excelente
3 Bueno
2 Satisfactorio
1 Deficiente
Comprensión del tema
Demostró total comprensión del contenido
Relevancia en sus intervenciones
Sus aportaciones Aporta ideas que Sus intervenciones no No participa durante la enriquecen las ideas aclaran algunas dudas fueron claras ni ayudan actividad de sus compañeras/os de sus compañeras/os a esclarecer el tema
Actitud en su participación
Su participación siempre fue con una actitud propositiva y entusiasta
Casi siempre colaboró en la actividad
Ocasionalmente ayuda, muestra poco interés
Se comportó indiferente a la actividad desarrollada
Conducta
Siempre se mostró tolerante ante la crítica de los demás y respetó la opinión de sus compañeras/os
Casi siempre toleró críticas y trató de respetar la diversidad de opinión de los demás
Casi no acepta las críticas, no respeta del todo las ideas de los demás
Fue intransigente en críticas y comentarios
Conclusiones
Son claras y congruentes a la actividad
Se entienden fácilmente, en su mayoría son relacionadas al tema
Son poco claras, no No son claras ni están relacionadas con acordes a lo planteado el tema
Demostró buen entendimiento
Muestra parcialmente comprensión del tema
Observaciones:
111
No comprende los aspectos principales del tema
Total
Biología de plantas, hongos y animales, y la etología Sesiones asignadas:
BLOQUE Objetos de aprendizaje
34
3
1. Origen de las plantas 2. Transporte y nutrición 3. Reproducción 4. Coordinación celular 5. Plantas medicinales 6. Características de los hongos 7. Evolución de los animales 8. Características básicas de los principales grupos de animales 9. Importancia ecológica y socioeconómica de los animales 10. Tipos de conducta de los animales 11. Respuestas al ambiente 12. Sociobiología 13. Especies en peligro Atributos de las competencias 1.1 Enfrenta las dificultades que se presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.
5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.
4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas.
5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.
4.5 Maneja tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.
5.5 Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.
5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.
6.4 Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.
Competencias
En contacto con tus conocimientos
Explica la fisiología de las plantas, hongos y animales, mediante el estudio de sus formas de reproducción, nutrición, patrones básicos de conducta y su importancia ecológica, médica y socioeconómica, asumiendo una actitud de tolerancia y respeto a las especies del entorno.
Contesta en forma breve las siguientes preguntas 1. ¿Qué importancia tuvo la semilla en la evolución de las plantas? 2. ¿Cuál es la función de la flor en las angiospermas? 3. ¿Cómo explicas la teoría cohesión-tensión sobre el transporte del agua en las plantas vasculares? 4. ¿Qué diferencias hay entre los macronutrientes y los micronutrientes? Fundamenta tu respuesta y cita ejemplos. 5. ¿Qué importancia tiene la reproducción asexual vegetativa en la agricultura? Cita tres ejemplos. 6. ¿Por qué en las plantas con flores hay una doble fecundación? 7. ¿Qué importancia tienen los hongos en el saneamiento del ambiente, en la economía y en la salud? 8. ¿Cuál es el platelminto y el nematodo más conocidos como endoparásitos del ser humano, y cómo se puede evitar este tipo de parasitosis? 9. ¿Cuáles son las características y ejemplos de moluscos, anélidos, artrópodos, equinodermos y cordados? 10. ¿Qué importancia tienen los animales en nuestro entorno ecológico, social y económico? 11. ¿Qué diferencias hay entre tropismo y tactismo? Cita ejemplos.
7.3 Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana.
12. ¿Cuál es la importancia de los biorritmos diarios y anuales que presentan algunos animales?
8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimentos y habilidades co los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.
13. ¿Qué ventajas obtienen algunos animales adaptados a vivir en grupos? Cita ejemplos. 14. ¿Qué acciones realizan algunos animales que defienden el área donde viven? Cita ejemplos. 15. Describe un ejemplo de comunicación química entre algunos animales.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Situación didáctica
¿Cómo lo resolverías?
¿En qué consistía la falsedad de la hipótesis de la preformación? En el siglo XVII, Jan Swammerdam (1637-1680), naturalista holandés, propuso la hipótesis de la preformación, la cual sostenía que un espermatozoide en el momento de ser expulsado por el hombre, ya contenía un embrión y sólo requería el sitio apropiado para su desarrollo y crecimiento, ese lugar era el útero de la mujer.
Secuencia didáctica
Esta hipótesis fue apoyada por algunos científicos de la época, aunque también motivó controversias durante mucho tiempo, ya que el parecido de algunos niños con la madre hacía pensar que no era sólo el espermatozoide el que determinaba el origen del nuevo ser. Un avance importante que se ha logrado en los últimos decenios del siglo XVII fue la invención del microscopio, que facilitó un mayor conocimiento de los procesos reproductivos.
¿Qué tienes que hacer?
Para contestar la pregunta central de la situación didáctica realiza las siguientes actividades: De manera individual investiga: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
¿Qué importancia tiene la reproducción para los seres vivos? ¿Cuáles son los diferentes tipos de reproducción asexual en las plantas y qué importancia tienen? ¿Cómo se realiza la fecundación sexual en las plantas con flores? ¿Cuáles son las características de la fecundación interna y externa y en qué animales ocurren? ¿Qué ventajas ofrece la fecundación interna? ¿Cuáles son las etapas del desarrollo embrionario humano y qué importancia tienen? ¿Cuál es el órgano donde se implanta el embrión humano para su desarrollo? ¿Qué órganos se derivan de cada una de las capas blastodérmicas?
Intégrate a tu equipo y realicen las siguientes actividades: • Cada miembro del equipo dará a conocer los resultados de su investigación, de manera que intercambien y enriquezcan los conceptos que tengan sobre la reproducción y su importancia para los seres vivos. • El equipo elaborará sus conclusiones sobre esta investigación para una presentación grupal.
Rúbrica
¿Cómo sabes que lo hiciste bien?
Para saber si adquiriste los conocimientos del bloque realiza lo siguiente: 1. Bajo la dirección del profesor organicen un debate sobre los siguientes temas: la importancia de la reproducción y sus diferentes tipos en los organismos. 2. Describe las características representativas de los tipos de reproducción asexual en vegetales. 3. Argumenta la variabilidad genética generada por la reproducción sexual y su importancia biológica. 4. Elabora una gráfica sobre la reproducción de las plantas con flores, anotando cada una de sus etapas. 5. En un cuadro sinóptico establece las diferencias que hay entre la fecundación interna y la fecundación externa, cita ejemplos de organismos en los que ocurren. 6. Explica las ventajas que ofrece la fecundación interna. 7. Elabora una maqueta sobre las etapas del desarrollo embrionario y explica lo que sucede en cada una. 114
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
1. ORIGEN DE LAS PLANTAS Nos hemos acostumbrado tanto a ver a las plantas a nuestro alrededor, que las consideramos como elementos naturales de nuestro paisaje. En raras ocasiones les damos el mérito de proveedores de alimento y de oxígeno en nuestro medio, mucho menos nos ocupamos de investigar cómo se originaron, las adaptaciones que desarrollaron durante su evolución para alimentarse, crecer y reproducirse primero en el medio acuático y más tarde en el terrestre. En este bloque se analizarán los aspectos básicos acerca de la evolución de las plantas (reino vegetal) y los hongos (reino fungi) y su repercusión en la vida de los demás organismos del planeta. Figura 3.1
Evolución y desarrollo de sistema vascular, semilla y flor Con el traslado de los antecesores inmediatos de las plantas del medio acuático (fig. 3.1) al terrestre —que se calcula aconteció hace aproximadamente 500 millones de años—, éstas encontraron muchas ventajas (fig. 3.2). En la tierra obtuvieron mayor cantidad de energía luminosa del Sol y de bióxido de carbono, necesarios para la función fotosintética. Sin embargo, en el proceso de la colonización en tierra firme las plantas se enfrentaron con nuevas dificultades, las cuales se resolvieron con la acción de la selección natural sobre la variación genética de las primeras poblaciones de plantas terrestres, que permitió el desarrollo de las adaptaciones que les posibilitaron mayor complejidad estructural y fisiológica como las siguientes:
Flor de Loto (planta acuática), sus hojas cuentan con un sistema de autolimpieza: la tensión de sus hojas hace que las gotas de agua permanezcan en ella, eliminando así el polvo que dañaría sus grandes hojas.
Sistema vascular Las plantas vasculares (que se conocen como traqueofitas) son aquellas que disponen de sistemas adaptados para conducir el agua y los nutrientes, a diferencia de las briofitas como los musgos y las hepáticas que además de su menor complejidad y tamaño, viven en lugares fríos, húmedos y pantanosos, por lo general. Al tener a su alcance el agua y los elementos para su nutrición en el entorno, no desarrollan verdaderas raíces ni tejidos conductores. En cambio, las plantas vasculares llegan a desarrollar mayor altura y se adaptaron a vivir en diferentes medios de la tierra firme. El sistema vascular consta de xilema y floema (fig. 3.3). El xilema se compone de traqueidas y vasos que son células que en la madurez mueren y forman tubos huecos con paredes engrosadas e impregnadas de lignina, sustancia que endurece y da rigidez al tejido. El xilema conduce de manera ascendente el agua y las sales minerales disueltas en ella, de la raíz a diferentes partes de la planta, en especial a las hojas y tallos jóvenes verdes, donde tienen una importante participación en la fotosíntesis. El floema lo forman células del tubo criboso y placas cribosas que permanecen vivas en la madurez. El tubo criboso es la columna vertical, en cambio las placas cribosas son paredes terminales con poros que conducen el citoplasma de un miembro del tubo criboso al siguiente. El floema transporta compuestos orgánicos, especialmente carbohidratos que se producen por fotosíntesis, a distintas partes de la planta. El transporte es tanto ascendente como descendente y consume energía.
Figura 3.2
Las plantas terrestres son descendientes de las plantas acuáticas; se caracterizan por poseer una serie de adaptaciones para la vida fuera del agua.
La semilla en plantas vasculares La semilla representa para las plantas un importante avance en su proceso de adaptación al medio terrestre, pues no requiere agua para su fecundación, ya que en ella se encuentra la diminuta planta que se llama embrión, producto de la ovocélula fecunda115
Figura 3.3
Xilema y floema. Conductos del xilema por los cuales circula el agua y los iones minerales desde la raíz hasta las hojas.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA da por un gameto masculino que se produce en el grano de polen, el cual se transporta por el viento o por insectos, para llegar al órgano reproductor femenino, que se llama carpelo o pistilo (fig. 3.4). En lugar de que los espermatozoides se movilicen en el agua hasta alcanzar el óvulo y fecundarlo como sucede en las plantas acuáticas. Las distintas partes de la nueva planta se desarrollan a partir del embrión. También la semilla contiene el tejido que nutre al embrión y una cubierta externa que protege a la semilla y evita su deshidratación. Estas características de la semilla hacen que durante su desarrollo, hasta alcanzar su maduración, adquiera resistencia a la desecación y tenga la capacidad de entrar en estado de latencia, por el cual mantiene una actividad metabólica mínima hasta encontrar las condiciones de humedad, temperatura y demás elementos apropiados para iniciar su germinación. Figura 3.4
La polinización es el transporte de polen desde unas flores a otras; uno de estos medios de transporte se efectúa por medio del aire.
Plantas vasculares sin semillas y con semillas Las primeras plantas vasculares cuyos representantes vivos son: las Psilofitas o helechos en cepillo, las cuales también se conocen como helechos arcaicos, así como los licopodios, los equisetos o colas de caballo y los helechos, no tienen semillas (fig. 3.5). Principalmente se reproducen y se dispersan por esporas, como lo hacen también las briofitas que no son vasculares. Se sabe que este tipo de plantas vasculares aparecieron y se diversificaron durante los periodos Silúrico y Devónico de la era Paleozoica (hace 420 a 360 millones de años) y durante el Carbonífero de la misma era (hace 360 a 286 millones de años) como lo indican sus fósiles, los licopodios, equisetos y helechos alcanzaron grandes proporciones, semejantes a los árboles y formaron extensos bosques, cuyos restos contribuyeron a formar los depósitos de carbón, que es un combustible de mineral fósil sólido, que se emplea para producir electricidad y en la industria siderúrgica (fig. 3.6).
Figura 3.5
Los helechos son originarios de zonas húmedas, están considerados como las primeras plantas vasculares.
Plantas con semillas. Se sabe que las plantas con semillas más antiguas son gimnospermas (del griego gymnos: desnuda y sperma: semilla). Se dice que tienen semillas desnudas porque éstas no se encuentran dentro de un fruto. Es posible que este tipo de plantas exista desde finales del periodo Carbonífero, hace unos 286 millones de años o en el periodo Pérmico de la era Paleozoica (hace 286 a 245 millones de años) cuando todavía dominaban los bosques de plantas vasculares sin semillas. La diversificación y el predominio de las gimnospermas se calcula que fue durante el periodo Triásico (de 245 a 208 millones de años) de la era Mesozoica. Las actuales gimnospermas (fig. 3.7) se agrupan en cuatro divisiones: Cycadophyta, Ginkgophyta, Coniferophyta y Gnetophyta. Las coníferas son las que más se conocen y representan un importante recurso forestal.
Figura 3.7
Figura 3.6
En el pasado, grandes extensiones de bosques quedaron sepultadas originando estratos de carbón.
Las cícadas son las gimnospermas más antiguas. Se localizan en zonas tropicales y subtropicales de Australia, Sudáfrica, Las Antillas y México. 116
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
Plantas
Traqueofitas (con tejido vascular) Sin semillas
Ej. Licopodios, equisetos y helechos
Briofitas (sin tejido vascular)
Con semillas
Gimnospermas
Ej. Glinkgos y coníferas
Asgiospermas
Monocotiledóneas
Dicotiledóneas
Ej. maíz, lirio, orquídea
Ej. frijol, chícharo, rosales
La flor Las plantas que producen flores se llaman angiospermas (del griego angeion: recipiente y sperma: semilla); significa que las semillas están contenidas en un recipiente que es el fruto (fig. 3.8). También se conocen con el nombre de antofitas (por pertenecer a la división Anthophyta del griego anthos, flor y phyta planta). Posiblemente evolucionaron de algún grupo de gimnospermas que después se extinguió. Por testimonios del registro fósil se sabe que las angiospermas aparecieron y se diversificaron durante el periodo Cretácico de la era Mesozoica hace unos 120 millones de años. Sin embargo, respecto al tiempo en que se originaron hay discrepancia de opiniones. Mientras que unos investigadores sostienen que aparecieron a principios del mismo periodo Cretácico, otros señalan que hay testimonios que sugieren la posibilidad de una mayor antigüedad de tal acontecimiento y lo calculan en el periodo Triásico (de 245 a 208 millones de años).
Figura Fig ura 3.8 38
La función de las flores es reproducir semillas para su propagación.
Actualmente, las plantas con flores integran la división más diversificada y abundante del reino vegetal del planeta; se calcula que hay aproximadamente 235 000 especies, en las que se incluyen árboles, arbustos, enredaderas y hierbas, que se adaptaron a vivir en los distintos hábitats, especialmente en las regiones tropicales y templadas. También las características adaptativas de la flor, al igual que la semilla, se relacionan con la reproducción y dispersión de las plantas. Permite que la fecundación de éstas pueda realizarse en el medio terrestre. Los variados y brillantes colores y las sustancias aromáticas que desprende la flor, atraen a varias especies de animales que transportan el polen de una flor a otra, lo que propicia así la fertilización (fig. 3.9). Con el fruto nace un nuevo medio de dispersión de la planta, al consumirse por los animales, éstos liberan las semillas en otras áreas donde germinan y desarrollan nuevas plantas. Las angiospermas se subdividen en monocotiledóneas y dicotiledóneas. Los cereales como el trigo, el maíz y el arroz son monocotiledóneas, mientras que gran parte de las frutas y las verduras son dicotiledóneas. 117
Figura 3.9
La polinización por acción de animales.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Cuadro 3.1
Características de las monocotiledóneas y dicotiledóneas.
Monocotiledóneas
Dicotiledóneas
Semilla con un solo cotiledón
Semilla con dos cotiledones
Las partes florales, como los sépalos del cáliz y los pétalos de la corola, están dispuestas en número de tres o múltiplos de tres
Generalmente las partes florales están dispuestas en número de cuatro o cinco
Los haces vasculares se hallan dispersos en el tallo, sin cambium (tejido que hace engrosar a la planta)
Los haces vasculares se encuentran ordenados en forma de cilindro o distribuidos regularmente. En el tallo está presenta el cambium
Generalmente, hojas con nervaduras paralelas
Generalmente, hojas con nervaduras reticulares (en forma de red)
Evaluación formativa Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿Qué importancia tuvo el desarrollo del sistema vascular en las plantas terrestres? Menciona al menos tres ejemplos. 2. ¿Cuál es la función de la semilla en las plantas terrestres? 3. ¿Qué diferencia hay entre las gimnospermas y las angiospermas? Cita algunos ejemplos de cada una. 4. ¿Cuál es la función y la importancia de la flor en el ambiente? 5. ¿Qué diferencias hay entre monocotiledóneas y dicotiledóneas? Explícalo con un ejemplo relacionado con el ambiente. 6. Elabora un álbum con las imágenes de los distintos tipos de plantas que aparecieron y se diversificaron en las etapas geológicas. Da tu opinión sobre la importancia que tienen en la actualidad.
2. TRANSPORTE Y NUTRICIÓN En su proceso evolutivo, las plantas desarrollaron las adaptaciones necesarias para sobrevivir en el medio terrestre. Éstas fueron el resultado de la traducción del conjunto de instrucciones que formaban parte del acervo génico de la población. De esta manera, los individuos con éxito resolvieron dos problemas fundamentales: lograr que en la fecundación el espermatozoide alcance a la ovocélula fuera del agua y que el agua y los nutrientes que la planta requiere lleguen a todas las células que componen su cuerpo. En el siglo XVII, cuando se iniciaron los estudios acerca de la nutrición vegetal, se creía que al igual que los animales, cuyo crecimiento y demás procesos vitales depende del alimento que ingieren, las plantas crecían por el alimento que tomaban del suelo. Una de las primeras investigaciones que pretendió descubrir el origen del material que hace crecer a las plantas la realizó el médico belga Jan Baptist van Helmont (1577-1644) (fig. 3.10), quien sembró una pequeña planta de sauce que pesaba 2.30 kg en una maceta que contenía 90.7 kg de tierra y a la que sólo le agregaba agua. Después de cinco años, la planta incrementó su peso en 74 kg, mientras que la tierra se redujo tan sólo 57 g. Van Helmont concluyó que las plantas crecían al consumir solamente agua y no suelo. Hoy se sabe que tal conclusión es incorrecta. ¿Cuál es el proceso que aún se desconocía y por el cual las plantas producen sus propios nutrientes? 118
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Cuadro 3.2
Etapas geológicas y orgánicas del tiempo.
ERA
ÉPOCA
TIEMPO En millones de años
Holoceno
0.01-0
PERIODO
Cenozoica
VIDA VEGETAL
VIDA ANIMAL
Extinción de algunas especies vegetales por la acción humana
Edad del Homo sapiens
2-0.01
Dispersión de plantas herbáceas
Evolución de los seres humanos
Plioceno
6-2
Diversificación de angiospermas herbáceas
Aparecen los homínidos
Mioceno
24-6
Formación de grandes extensiones de pastizales
Se diversifican los primates
Oligoceno
37-24
Continúa la diversificación de plantas con flores
Aparecen los primates y mamíferos herbívoros
Eoceno
58-37
Bosques de angiospermas
Evolucionan nuevos órdenes de mamíferos y aves
Paleoceno
66-58
Diversificación y dispersión de las angiospermas
Se diversifican los mamíferos
Cuaternario
Pleistoceno
Terciario
Mesozoica Cretácico
144-66
Aparecen y diversifican las plantas con flores
Aparecen los mamíferos placentarios; se extinguen los dinosaurios
Jurásico
208-144
Dominan las gimnospermas
Dominan los dinosaurios y aparecen las aves
Triásico
245-208
Bosques de gimnospermas y helechos
Origen de los primeros dinosaurios y mamíferos
Pérmico
286-245
Aparecen las coníferas
Se diversifican reptiles y declinan anfibios, extinción de muchos invertebrados
Carbonífero
360-286
Se forman bosques de licopodios, equisetos y helechos
Aparecen reptiles, se diversifican anfibios, abundan insectos
Devónico
408-360
Diversificación de plantas vasculares terrestres
Abundan trilobites, aparecen peces con mandíbulas, aparecen anfibios e insectos
Silúrico
438-408
Evolucionan las plantas vasculares sin semillas en el medio terrestre
Se diversifican los peces sin mandíbulas; aparecen los artrópodos terrestres
Ordovícico
505-438
Dominan algas marinas; probable aparición de plantas terrestres
Dominan invertebrados marinos; aparecen los peces sin mandíbulas
Cámbrico
570-505
Desarrollo de algas marinas
Abundan invertebrados marinos
Paleozoica
Precámbrica (De 4600 a 570 millones de años)
3 500-570
Origen y diversificación de los protistas e invertebrados marinos Origen de los eucariontes y de la fotosíntesis Origen de las primeras células procariontes
4 600-3 500
Evolución química y formación de la atmósfera secundaria Origen de la Tierra
119
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Teorías de transporte Las plantas vasculares transportan el agua de la raíz a las hojas por los conductos del xilema (traqueidas y vasos), lo que motivó a mucha gente a preguntarse desde hace tiempo, ¿cuál es el origen de la fuerza que logra el ascenso del agua?, máxime en árboles de gran altura. Un intento por explicar la movilización ascendente del agua para reponer la que se pierde es por medio del mecanismo de presión radicular, que se genera en el xilema de la raíz y empuja el agua que la propia raíz absorbe hacia arriba. Sin embargo, se demostró que tal presión no es suficiente para que el agua ascienda a las partes más altas de la planta. La explicación más generalizada respecto al ascenso del agua por el xilema se debe a la tracción que ejerce la fuerza de su evaporación en las hojas, en ella se involucran las fuerzas que se derivan de las propiedades del agua y la tracción que ejerce la pérdida de agua en la planta por transpiración; dichas fuerzas son: Cohesión. Es la fuerza que mantiene unidas las moléculas de una misma sustancia. Tiene mayor fuerza en el agua, en cuyas moléculas dos átomos de hidrógeno se unen por enlaces de hidrógeno a un átomo de oxígeno. Asimismo, cada átomo de hidrógeno se mantiene unido al átomo de oxígeno de la molécula de agua vecina; esto hace que por cohesión permanezcan unidas las moléculas de agua por enlaces de hidrógeno. Dentro de las traqueidas y vasos del xilema, esta propiedad del agua contribuye a formar una columna de agua que se extiende por el tallo y la raíz. Adhesión. Es la atracción entre moléculas de diferente clase. En el caso del ascenso del agua por los vasos del xilema (cuyo diámetro es relativamente pequeño), la adhesión ocurre con las moléculas de agua que tienden a pegarse a las paredes celulares de los vasos del xilema, lo que representa un importante factor para mantener sin interrupción la columna de agua (fig. 3.11). Tracción por fuerza de evaporación del agua. La pérdida de agua por transpiración ejerce una fuerza en las hojas y demás partes superiores de la planta, que “jala” la columna de agua por medio de los conductos del xilema. Esto hace que el agua junto con los minerales disueltos, que la raíz absorbe, asciendan hasta las partes más altas de la planta. En resumen, podemos decir que las plantas requieren agua y los iones minerales que las raíces absorben del suelo para nutrirse (por fotosíntesis). Durante la transpiración (pérdida de agua por las hojas en forma de vapor), las células de las hojas jalan hacia arriba el agua mediante las traqueidas y vasos del xilema. Así, el líquido pasa desde la raíz hasta las hojas a través del tallo. La fuerza de cohesión que mantiene unidas a las moléculas del agua y el reducido diámetro de los conductos del xilema permiten su adhesión y su flujo continuo por los conductos del xilema hacia las partes
Figura 3.11 Figura 3.10
Jan Baptist van Helmont.
Las plantas al transpirar pierden agua a través de sus hojas. 120
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA superiores del vegetal. La planta elimina agua por transpiración, principalmente por medio de los estomas de la epidermis de las hojas, que se abren y cierran como pequeñas compuertas según las necesidades hídricas de la planta. De esta manera, regula el equilibrio interno del agua, así como también la entrada del bióxido de carbono que se requiere para la fotosíntesis y la salida del oxígeno que se obtiene durante este proceso.
Aprende a ser en la biología Objetivo Mediante un sencillo experimento comprobar el proceso de transporte de agua en la planta. Aspectos teóricos La mayor parte del agua que la planta absorbe por sus raíces y se transporta por el xilema hasta las hojas, se pierde en forma de vapor por medio de su proceso de transpiración. De acuerdo con el modelo tensión-cohesión en las partes superiores de la planta, la pérdida de agua por transpiración genera una tensión, que es la fuerza que jala la columna de agua por el xilema. Dicha columna se forma por la propiedad cohesiva de las moléculas del agua. Material • Una flor de crisantemo y una de clavel blancas. • Un frasco de boca ancha de 500 ml. • Colorantes artificiales para alimento. Procedimiento • Vierte en el frasco la solución concentrada de colorante, hasta la mitad.
Figura 3.12
• Sumerge las flores en la solución, de manera que una parte del tallo quede dentro de la solución.
El alcatraz es una planta de ornato que florece todo el año.
• Deja las flores en la solución durante cuatro días. • Observa y registra los cambios que se presenten en las flores. • Redacta tus conclusiones y exponlas ante el grupo, argumentando la importancia que tiene este proceso en el ambiente o para el medio que lo rodea.
Translocación (transporte por medio del floema) Los azúcares que la planta produce por fotosíntesis se transportan por el floema a distintas partes de la planta. Antes de ingresar en el floema se convierten en el disacárido sacarosa, que es el azúcar de mesa, la cual se forma de una molécula de glucosa y una de fructosa. La sacarosa es el compuesto orgánico más abundante que se transporta en el floema hacia otros tejidos, donde se emplea para proporcionar energía y para participar en la composición de otras moléculas que la planta sintetiza como el almidón.
Mecanismo de flujo por presión Actualmente, el modelo que más se acepta para definir el transporte de los azúcares en el floema, es el mecanismo de flujo por presión (fig. 3.13); por el cual se explica que los productos celulares viajan de una fuente a un vertedero. La fuente es el lugar donde dichos productos (azúcares) se incorporan en el floema (esencialmente en la hoja que es donde se realiza más la fotosíntesis) y en el vertedero donde el floema conduce los azúcares; por ejemplo, las yemas de los extremos de crecimiento de los tallos y las frutas. 121
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Por medio de este modelo se explica que los productos celulares en el floema se movilizan por gradientes de presión de agua que se forman por incorporación del agua por ósmosis. En la fuente se forma una presión de agua alta y en el vertedero una presión baja. De tal suerte que los fluidos se movilizan de la fuente al vertedero siguiendo el gradiente de presión del agua. Por ejemplo: 1. Cuando en una hoja (la fuente) se mueven los azúcares de las células mesófilas donde se sintetizaron, se transfieren por transporte activo a las células acompañantes, de donde fluyen por plasmodesmos (conexiones citoplasmáticas) a los tubos cribosos. 2. Como consecuencia del aumento en la concentración de azúcar en el tubo criboso, el potencial hídrico disminuye, lo que causa que el agua del xilema entre por ósmosis al tubo criboso y eleve la presión del agua haciendo que el fluido circule hacia regiones del tubo con menor presión. 3. En el vertedero (por ejemplo, la raíz), el azúcar se transporta desde el tubo criboso por los plasmodesmos a una célula acompañante, la cual por transporte activo transfiere el azúcar a otras células de la raíz. Al disminuir la concentración de azúcar, también el agua deja el tubo criboso y se incorpora por ósmosis al vertedero. Lo que hace que la presión del agua en esta región del tubo criboso disminuya.
Figura 3.13
El mecanismo de flujo por presión.
Actividad con TIC Haciendo uso de las TICs obtén la información para elaborar en equipo un organizador gráfico sobre las teorías de transporte y nutrición en plantas, para ser presentado en grupo y elabora tus conclusiones.
El mecanismo se denomina flujo por presión porque realmente describe la circulación por transporte pasivo del fluido, a lo largo del tubo criboso, desde la fuente hasta el vertedero, desde una región de más alta presión hasta otra de más baja presión. La energía sólo se requiere cuando el azúcar pasa por transporte activo de la fuente al tubo criboso y cuando se transfiere de éste al vertedero.
Suministro de alimentos Micronutrientes y macronutrientes del suelo Se comprobó que son 16 los nutrientes que las plantas requieren para su crecimiento y reproducción, de los cuales nueve de ellos se encuentran en cantidades relativamente grandes en los tejidos de una planta; por ello, éstos se llaman macronutrientes o macroelementos. Los otros siete se presentan en mínimas cantidades en la planta, y se denominan micronutrientes. Los macronutrientes son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), azufre (S), potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg). La planta obtiene el carbono como bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, el hidrógeno proviene de la molécula del agua, el oxígeno se obtiene de la atmósfera y del agua también. Estos tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno (C, H, O) participan en la composición de los compuestos orgánicos como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Los otros cinco macroelementos son: nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio, los obtiene la planta del suelo como iones minerales disueltos. Aunque el nitrógeno es el gas más abundante de la atmósfera, se encuentra en ella en la proporción de 79%, las plantas lo obtienen ya incorporado en el suelo en forma de iones de sales nitrogenadas. El nitrógeno es componente de las moléculas orgánicas: proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. 122
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Las proteínas desempeñan muchas funciones en la célula viva, entre las que destacan su función estructural, ya que es componente de la mayor parte de la célula, y su acción catalizadora como enzima, es decir, reguladora de las reacciones químicas del metabolismo celular. Los ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El primero forma las unidades de la información genética que se llaman genes y el segundo ejecuta la información codificada por el ADN al especificar la síntesis de proteínas. La clorofila es el pigmento verde que capta la energía luminosa en el proceso de la fotosíntesis. Las plantas aprovechan el nitrógeno del suelo en forma de iones nitrato o amonio que se obtienen de la descomposición de la materia orgánica por acción de las bacterias y hongos que viven en el suelo. Otra fuente de aprovechamiento del nitrógeno es la fijación biológica que hacen las Figura 3.14 bacterias del género Rhizobium, que se alojan en los nódulos (pequeños abultamientos) El frijol es una de las leguminosas de las raíces de las leguminosas. Estas bacterias transforman el nitrógeno molecular en rica en algunos aminoácidos. compuestos asimilables para que la planta produzca sus proteínas. Por esta razón, la mayoría de las leguminosas como el frijol, lenteja, chícharo, soya, produce frutos ricos en proteínas (fig. 3.14). Otra ventaja que ofrece el cultivo de estas plantas es su capacidad de enriquecer el suelo con sustancias nitrogenadas que pueden absorberse por las raíces de otras plantas que no mantienen este tipo de asociación con las bacterias fijadoras del nitrógeno. Otra forma de fijación del nitrógeno es la electroquímica que se presenta por descargas eléctricas de los relámpagos, que lo convierte en compuestos nitrogenados, los cuales se incorporan en el suelo. Fósforo. Este elemento participa en la composición de los ácidos nucleicos que almacenan y transmiten la información genética, también de la molécula del ATP, portadora de la energía que se emplea en los procesos metabólicos. Las plantas toman el fósforo del suelo en forma de fosfato disuelto, el cual procede de las rocas fosfatadas, también de la descomposición de la materia orgánica que contiene este elemento o de los depósitos de guano (excremento de murciélagos y aves marinas). Azufre. Las plantas absorben el azufre en forma de sulfato. Este elemento participa en la composición de ciertos aminoácidos (cistina, cisteina, metionina), aporta electrones en numerosas reacciones del metabolismo vegetal, forma uniones disulfuro entre polipéptidos, lo que confiere a las proteínas estructuras estables. El azufre que se incorpora en el suelo procede de la desintegración de las rocas que forman el material parental y de la degradación de la materia orgánica por bacterias y hongos. Potasio. Aunque no forma parte de un compuesto específico, su permanencia en la célula vegetal es importante en el proceso fisiológico que mantiene el equilibrio entre solutos y agua en la ósmosis. También se involucra en los procesos de apertura y cierre de los estomas. Calcio. Además de participar en importantes procesos fisiológicos de la célula vegetal como la permeabilidad de la membrana plasmática y el transporte de iones y hormonas, es componente de las paredes celulares. Magnesio. Forma parte de la molécula de clorofila, que es el pigmento que captura la energía luminosa en el proceso de la fotosíntesis. De los micronutrientes: el hierro (Fe), el manganeso (Mn), el cobre (Cu), el zinc (Zn) y el molibdeno (Mo), funcionan como componentes o cofactores de diversas enzimas. El boro (Br) interviene en el aprovechamiento del calcio. El cloro (Cl) como ion cloruro participa en la función osmótica y en el proceso de la fotosíntesis.
123
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Uso de fertilizantes e hidroponia Fertilizantes. Es posible que el inicio de su uso haya sido tras la observación que hicieron los primeros agricultores acerca del desarrollo más rápido y saludable de las plantas (fig. 3.15), en áreas con estiércol o con desechos de plantas en descomposición. Actualmente, para restituir el nitrógeno, el fósforo y el potasio, que son los tres elementos que más se agotan en los suelos cultivados, se emplean los fertilizantes inorgánicos, los cuales se fabrican industrialmente o se extraen de las minas. La ventaja que tiene este tipo de fertilizante es que se pueden controlar las cantidades de elementos que el suelo requiere. En cambio, tiene la desventaja de que su acumulación puede contaminar los mantos acuíferos o, por acarreo del viento y agua, lo haga en ríos o lagos.
Figura 3.15
El uso de fertilizantes favorece el crecimiento de las plantas.
Los fertilizantes orgánicos son los que tienen un origen biológico, es decir, provienen de desechos orgánicos. Por ejemplo, el estiércol y la orina del ganado bovino, así como los residuos de cultivo y organismos muertos, al descomponerse por acción de bacterias y hongos liberan gradualmente los nutrientes en forma de iones minerales que se incorporan y abonan el suelo, de donde las plantas absorben estos nutrientes por medio de sus raíces. Una de las ventajas de los fertilizantes orgánicos es su contribución a la formación del humus (componente del material orgánico del suelo) que retiene el agua y los nutrientes en el suelo.
Hidroponia. Deriva de los vocablos griegos hydro (agua) y ponos (labor o trabajo), y significa trabajo en el agua. Con este nombre se conoce al sistema de cultivo en el que las raíces de las plantas se encuentran inmersas en una solución aireada y rica en nutrientes o ancladas a un sustrato inerte que se irriga con nutrientes y que ayuda a sostener las raíces. De esta manera se puede tener un mayor control en el desarrollo de las plantas al suministrarles los nutrientes en las proporciones adecuadas para su desarrollo (fig. 3.16). Esta alternativa de producción que aprovecha a bajo costo los recursos disponibles de cada región, tuvo un acelerado impulso en los últimos años, ya que con ella se evita la erosión, el empobrecimiento del suelo y la deforestación, que son alteraciones de gran impacto ambiental. Además, no depende de las precipitaciones pluviales y para el cultivo se requiere poco espacio. En la investigación acerca de la nutrición vegetal, esta técnica es de gran importancia para determinar si un elemento es esencial o no en el crecimiento vegetal. Para tal propósito se suprime el elemento en la solución nutritiva y así se comprueba si la planta es capaz, o no, de crecer normalmente en ausencia de este elemento.
Figura 3.16
Hidroponia. 124
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Hay dos sistemas que se emplean en la hidroponia: • El cultivo en agua. Las raíces de las plantas se encuentran inmersas en el agua que previamente se oxigenó y en la que se disolvieron los nutrientes. • El cultivo con sustrato. El sustrato es el medio sólido inerte que no contiene nutrientes, ayuda a fijar y sostener la raíz de la planta; al mismo tiempo sus gránulos permiten la circulación de los nutrientes disueltos en el agua y el transporte del aire. El sustrato que más se emplea es el que se compone de arena o grava, de tezontle o de partículas de ladrillos o tejas. La producción de hortalizas, flores y frutos es exitosa con este sistema de cultivo.
CULTIVO HIDROPÓNICO DEL TOMATE (JITOMATE) Objetivo Realizar un experimento de cultivo hidropónico para descubrir sus características, ventajas y desventajas como proyecto alternativo de producción agrícola de la comunidad. Aspectos teóricos De los dos sistemas que se emplean en la hidroponia: el cultivo en agua y el cultivo en sustrato, se escogerá este último por ser el más conveniente en este caso, debido al peso de la planta de jitomate. El uso de invernaderos se incrementó en el cultivo hidropónico, porque en él los factores como temperatura, precipitación pluvial, contaminación atmosférica, que influyen en el desarrollo de las plantas, pueden controlarse, incluso posibilitan el cultivo fuera de estación (fig. 3.17). La cubierta que más se usa para construir un pequeño invernadero es la hoja de polietileno, por su bajo costo y fácil manejo; además de reunir los requisitos indispensables como transmitir la luz solar que las plantas aprovechan en la fotosíntesis, absorber las radiaciones ultravioleta y reflejar las infrarrojas. Material • Cuatro sacos de cultivo de 1 m de largo por 25 cm de ancho. • 120 L de sustrato inerte para llenar los sacos (puede ser arena o grava de río). Los gránulos que componen el sustrato no deben contener sustancias químicas ni restos orgánicos o microorganismos; en cambio, deben tener buena retención de agua y porosidad que permita la circulación de nutrientes y del aire. • Una charola (que servirá como almácigo).
• Una regadera de jardín.
• Semillas seleccionadas de tomate (jitomate). Procedimiento
• Solución nutritiva.
1. En equipo de cuatro integrantes pongan a germinar las semillas (de buena calidad) en la charola con sustrato inerte; es decir, que esté limpio de sustancias químicas y de microorganismos que pudieran influir en la germinación y desarrollo de la planta. Mantengan el almácigo con cierto grado de humedad; se riega diariamente sólo con agua (sin excederse). 2. Una vez que aparezcan las primeras hojas, las plántulas se riegan con solución nutritiva; pueden emplearse las que se venden preparadas con los nutrientes que la planta requiere para su desarrollo en hidroponia, de acuerdo con la etapa de cultivo: crecimiento vegetativo, floración y fructificación. Por ejemplo, el fertilizante Hakaphos 13-40-13 (los números indican las cantidades que contiene de nitrógeno, fósforo y potasio), puede utilizarse en la etapa inicial del crecimiento de la planta, pero por tratarse de una solución muy concentrada, debe diluirse 1 ml de fertilizante por cada litro de agua. Son muchas las fórmulas de nutrientes que han desarrollado distintos investigadores, por ejemplo Bechhart y Connors, de la Estación Experimental Agrícola de Nueva Jersey. 125
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Evaluación formativa Contesta en forma breve las siguientes preguntas: 1. Elabora un esquema donde representes el mecanismo de presión radicular que se da mediante el proceso de cohesión-fusión de una planta, e identifica la fuerza del ascenso del agua. 2. ¿En qué forma contribuyen la cohesión y la adhesión de las moléculas de agua en su tracción? Cita algunos ejemplos. 3. ¿Cómo explicas el mecanismo de flujo por presión sobre la movilización de los azúcares por el floema de una fuente a un vertedero? 4. ¿Por qué se prefieren los fertilizantes orgánicos a los inorgánicos? Menciona algunas problemáticas que llegan a provocar dichos fertilizantes. 5. ¿Por qué es importante el nitrógeno como elemento macronutriente? 6. ¿Cuáles son los nutrientes que las plantas requieren y cuál es la función de los fertilizantes? Menciona algunas desventajas que éstos tienen al no ser utilizados debidamente. 7. ¿Qué importancia tiene la hidroponia en la producción de alimentos?
Sulfato de amonio
SO4(NH4)2
30 g
Fosfato de potasio monobásico
KH2PO4
57 g
Sulfato de magnesio
MgSO4 + 7H2O
114 g
Nitrato de calcio
Ca(NO3)2 + H2O
486 g
Para disolver en 200 L de agua
3. De 12 a 14 días después de la siembra se hace el trasplante a los sacos de cultivo (pueden sustituirse por maceteros), cada uno de éstos debe contener más o menos 30 litros de las partículas del sustrato inerte (previamente lavado y desinfectado). Se colocan los cuatro sacos en una sola hilera con una separación de 50 cm cada uno y se procede primero a humedecer el sustrato y después a trasplantar dos plántulas en cada saco (separadas). También se pueden trasplantar pequeñas plantas que se obtienen por desarrollo vegetativo; lo que se logra al someter una parte del tallo de la planta de tomate (jitomate) en un recipiente con agua, durante algunos días, hasta que se formen sus raíces.
Figura 3.17
Cultivo de tomate por hidroponia.
4. Se recomienda colocar una pequeña estaca de plástico al pie de cada plántula para que al regarla diariamente la solución nutritiva sea conducida por las estaquitas hasta el pie de las plántulas. La frecuencia de riego aumenta conforme crecen las pequeñas plantas. 5. Cuando las plantas adquieren mayor tamaño, se hace necesario sujetarlas para evitar que se doblen demasiado. 6. De 15 a 20 días se recomienda podar las plantas para retirar las hojas secas y los primeros tallos laterales. 7. Durante el periodo de fructificación se procede a sacar los frutos dañados y los que no se desarrollaron, para permitir que maduren bien los que permanecen en la planta. 8. Elabora un informe detallado de este experimento, con las ventajas y desventajas que ofrece este tipo de cultivo en cuanto a: costo de producción, afectación por fenómenos meteorológicos, espacio necesario, cantidad de agua que requiere, maquinaria agrícola, recuperación de inversión, contaminación y erosión del suelo, así como su implementación en diferentes entidades de la República Mexicana —en un futuro—, destacando los beneficios que se esperan. Fuente: Manual del cultivo de jitomate en Hidroponia. SRA. Disponible en: http://www.sra.gob.mx/Internet/informacion_general/programas/fondo_tierras/documentos.html
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
3. REPRODUCCIÓN En el tema Desarrollo de sistema vascular, semilla y flor quedó de manifiesto que las angiospermas (las plantas con flores) son los vegetales más diversificados y abundantes en la Tierra. Una de las causas del éxito que tienen se debe a su capacidad de reproducción, la cual muchas de ellas pueden hacer de manera asexual y sexual. En la reproducción asexual los descendientes crecen por mitosis de las células de los fragmentos que se desprenden de la planta progenitora y por ello son genéticamente idénticos a ella. En la reproducción sexual hay fusión de dos células especializadas que se llaman gametos. La mayoría de las flores produce dos gametos: el masculino y el femenino; sin embargo, hay otras que producen un solo tipo de gameto, unas el gameto masculino y otras el femenino. La función de la flor es la reproducción sexual de la planta (fig. 3.18). Los colores brillantes y su fragancia no es el con fin de agradarnos, como en un principio se creyó, sino para atraer a insectos y aves que al alimentarse de su néctar participan en forma indirecta en la reproducción de la planta, ya que al buscar su alimento transportan el polen a las proximidades del óvulo de otras plantas.
Figura 3.18
La flor produce las semillas de la planta, básicas para su reproducción.
Reproducción asexual y sexual La reproducción asexual vegetativa se presenta en muchas especies de plantas con flores, sea en forma natural o artificial (fig. 3.19). Consiste en que el nuevo individuo se origina a partir de una parte especial de su progenitor, cuyas células mantienen su capacidad de división por mitosis, como adaptación de resistencia a los cambios climáticos. Las principales formas de reproducción vegetativa son por: • Rizomas y tubérculos. Hay plantas como el lirio, el jengibre, el bambú y gran variedad de pastos que tienen tallos subterráneos dispuestos en forma horizontal, que se llaman rizomas, donde almacenan sus nutrientes y les sirven para reproducirse asexualmente. Los extremos engrosados de los rizomas de algunas plantas como la papa, que se llaman tubérculos, es donde cada una de sus yemas al desarrollarse puede producir una nueva planta. • Estolones. La fresa se propaga por estolones, que son tallos delgados rastreros (porque crecen a ras de tierra), que en sus extremos forman yemas, las cuales producen plántulas (pequeñas plantas) que, al formar raíces y tallos, originan nuevas plantas y se independizan de la planta progenitora. • Bulbos. La cebolla, el ajo, la azucena, los narcisos, los lirios y los tulipanes forman bulbos, que son yemas subterráneas con hojas que almacenan sustancias de reserva. Los bulbos suelen formar yemas laterales que después se convierten en pequeños bulbos hijos y que al morir el bulbo progenitor, cada uno forma una nueva planta.
Figura 3.19
El bambú, la fresa, la cebolla, la piña y la uva, son ejemplos de reproducción asexual vegetativa. 127
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA • Estacas. Cuando una parte de la planta se pone en tierra húmeda, forma raíz y desarrolla una nueva planta, este procedimiento se denomina reproducción por estaca; la piña, la caña de azúcar y el plátano se reproducen de esta forma. • Acodos. Mediante este procedimiento se pueden doblar y enterrar en suelo húmedo las ramas de la planta, que después formarán raíces y desarrollarán nuevas plantas. Por acodaje se reproducen las plantas de la frambuesa, la zarzamora y la vid.
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD Objetivo
• Una maceta de tamaño regular con tierra y abono húmedos.
Promover el desarrollo vegetativo en varias plantas.
Procedimiento
Consideraciones teóricas El desarrollo vegetativo es la manera en que muchas especies de plantas angiospermas se reproducen en forma asexual. Consiste en que el nuevo individuo se forma a partir de una parte especial de su progenitor que se regenera por mitosis. Material • Tallo de distintas especies de plantas que reúnan las características propias para su desarrollo vegetativo.
• En equipo, corten los tallos en varias partes, procurando que cada fragmento conserve su yema. • Planten los cortes en la maceta. • Registren sus observaciones durante varios días y discutan los resultados que obtienen. • Elaboren un reporte de la práctica donde se expliquen las causas que propiciaron el desarrollo vegetativo y las ventajas que puede ofrecer este tipo de reproducción en tu entorno inmediato o de tu comunidad.
Reproducción sexual El ciclo vital de las plantas se caracteriza por presentar alternancia de generaciones que consiste en una etapa diploide llamada generación esporofita, seguida de otra haploide que se denomina generación gametofita. Las células diploides: 2n (las que tienen un juego completo de cromosomas pares homólogos) de la generación esporofita producen por meiosis esporas haploides: n (células que sólo tienen un miembro de cada par de cromosomas homólogos). Las esporas haploides se dividen por mitosis y producen gametofitos multicelulares haploides. Éstos son los que desarrollan por mitosis los gametos. Cuando un gameto masculino se fusiona con uno femenino se forma el cigoto diploide, el cual al dividirse por mitosis produce un esporofito multicelular diploide (fig. 3.20).
Figura 3.20
Ciclo alternante en plantas. Por divisiones mitóticas del cigoto se desarrolla el esporofito que es diploide, de cuyas células por división meiótica se forman los gametofitos haploides que producen gametos. Cuando el gameto masculino se fusiona con el femenino se forma el cigoto.
En las plantas vasculares entre las que se incluyen las angiospermas (las que producen flores), la generación esporofita, que comprende el cuerpo de la planta, tiene supremacía sobre la generación gametofita que es muy pequeña y se encuentra en la flor. Por ejemplo, el grano de polen que da origen al gameto masculino. A diferencia de las plantas inferiores como las hepáticas, en las que la generación dominante en su ciclo vital es el gametofito, se representa por los talos masculino y femenino. 128
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA La flor en la reproducción sexual de las angiospermas Los fósiles más antiguos que demuestran la presencia de plantas con flores corresponden al periodo Cretácico de la era Mesozoica. Ejemplos de ellos son los restos de flores descubiertos que tienen antigüedad de 120 millones de años y los granos de polen fosilizados en rocas de hace unos 130 millones de años. Hay indicios de que las plantas con flores descienden de las gimnospermas, así lo sugieren los fósiles de este grupo con características semejantes a las plantas con flores, con una antigüedad de unos 180 millones de años (en el periodo Jurásico). La flor es la estructura reproductora de las angiospermas. Por lo general se compone de cuatro partes: sépalos, pétalos, estambres y carpelos (también llamado pistilo), los cuales se organizan en círculos, que se llaman verticilos. El verticilo más externo lo forman los sépalos, que casi siempre son en forma de pequeñas hojas de color verde o de la misma coloración de los pétalos, que en conjunto forman el cáliz, el cual se encarga de cubrir y proteger a la flor cuando todavía es un botón. El siguiente verticilo que Figura 3.21 se localiza arriba de los sépalos es el de los pétalos que son hojas de colores variados Ejemplo de una flor completa. y brillantes, casi siempre secretan sustancias aromáticas. Estas características son las que atraen a los animales que favorecen la polinización. En su conjunto, los pétalos forman la corola. El verticilo siguiente lo forman los estambres, cada uno tiene una antera y un filamento. En la antera se forman por meiosis las microsporas que al desarrollarse dan origen a los granos de polen, que es el gametofito masculino. El filamento es un fino pedúnculo que une la antera con el receptáculo. En el centro de la flor se encuentra el carpelo (puede ser uno o varios). Cada carpelo o pistilo tiene tres partes: el estigma, parte superior que recibe los granos de polen; el estilo, que usa un pedúnculo y une el estigma con el ovario a través del cual se forma el tubo polínico. El ovario es la estructura que contiene uno o más óvulos, cada uno alberga un gametofito femenino o saco embrionario que contiene una ovocélula. Después de la fecundación, el óvulo se convierte en semilla y el ovario se desarrolla en fruto. Las flores que contienen las cuatro partes (sépalos, pétalos, estambres y carpelos), se dice que son completas y las incompletas carecen de alguna de esas partes (fig. 3.21). Las flores que sólo producen el gameto masculino se llaman estaminadas, y las que sólo dan gametos femeninos, carpeladas.
La doble fecundación en el ciclo vital de las plantas con flores Cada antera tiene cuatro sacos polínicos, dentro de cada uno se desarrollan las células madre de las microsporas diploides (2n); cada una de estas microsporas produce cuatro microsporas haploides (n) por meiosis y el núcleo de cada una de ellas se divide por mitosis y produce un grano de polen (gametofito masculino) que consta de dos células: una del tubo y una germinativa o espermática, las cuales se rodean de una resistente pared externa. Cuando la antera madura, se rompe y deja escapar el polen. Cada óvulo joven, que se localizan dentro de un ovario, contiene una célula madre de la megaspora diploide (2n), que se divide por meiosis y forma cuatro megasporas haploides, tres de ellas se desintegran. La megaspora que sobrevive se divide por mitosis y origina el saco embrionario, o sea el gametofito femenino, el cual se forma por siete células con ocho núcleos haploides (n), tres acomodados en cada extremo y una célula con dos núcleos en el centro. La ovocélula será una de las células con un solo núcleo haploide. Cuando el polen se deposita en el estigma —por transporte del viento, agua o insectos—, cierta sustancia química de los carpelos estimula a la célula del tubo y hace crecer al tubo polínico a través del estilo hacia el ovario; mientras que la otra célula, la germinativa o espermática, se divide por mitosis para formar dos células espermáticas (dos gametos masculinos), ambas pasan a través del
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA tubo hacia el saco embrionario. El núcleo de una de las células espermáticas fecunda a la ovocélula y se produce el cigoto, que es diploide y la otra se fusiona con los dos núcleos centrales llamados polares y dan origen a una célula triploide (3n), la que al crecer por mitosis forma el endospermo, tejido que nutre al embrión hasta que se convierte en un esporofito diploide (2n) joven. La doble fecundación de las plantas con flores ocurre cuando una de las células espermáticas (gametos masculinos) fecunda la ovocélula (gameto femenino) y forman un cigoto diploide (2n), que al desarrollarse se convierte en el embrión multicelular dentro de la semilla. La otra sucede cuando el otro gameto masculino se fusiona con los dos núcleos polares y forma la célula triploide que al crecer se convierte en el endospermo que alimenta al embrión (fig. 3.22).
Figura 3.22
La doble fecundación de las plantas con flores. Un núcleo espermático fecunda la ovocélula y forma un cigoto diploide. El otro se fusiona con dos núcleos polares y forma la célula triploide que al dividirse dará origen al endospermo.
Adaptaciones Las adaptaciones que seleccionaron en el desarrollo evolutivo de las angiospermas son muchas, lo que explica el éxito que tienen en su diversificación y abundancia, a pesar de que evolucionaron en etapas geológicas más recientes. Algunas de esas adaptaciones son las siguientes: • Sus órganos de reproducción se encuentran en la flor; esta adaptación propició su independencia del agua como único medio de fecundación; los colores variados y brillantes de los pétalos y en algunos casos aromáticos, atraen a polinizadores animales y en recompensa éstos se nutren del néctar que la propia flor produce.
Evaluación formativa Contesta en forma breve las siguientes preguntas: 1. ¿En qué consiste la reproducción asexual vegetativa? Cita un ejemplo y explica este proceso. 2. Elige la flor de tu preferencia e indica cómo se llama cada una de sus partes, así como su función. 3. ¿Cómo sucede la doble fecundación en las angiospermas y qué ventajas tiene? 4. ¿Cuáles son las principales adaptaciones de las angiospermas y qué ventajas les reportan?
• La producción de semillas —una adaptación compartida con las gimnospermas—, es de vital importancia en la reproducción y dispersión de estas plantas, ya que ella nutre y protege a la nueva planta en sus primeras etapas de desarrollo. • El fruto que se desarrolla a partir del ovario de la flor, envuelve y protege la semilla, de allí el nombre de angiospermas —que tienen las plantas con flores, lo que significa semillas contenidas en recipientes, que es el fruto—. Otra función donde participa el fruto es en la dispersión de la semilla, ésta ocurre de distinta manera: en algunos casos la fruta al madurar deja escapar sus semillas las cuales pueden transportarse con el viento, el agua o por los animales. En este último caso las semillas pueden pegarse en las patas o sobre la piel del animal o bien, pueden expulsarse con el excremento, cuando al comer la fruta las semillas no se digirieron. • Otra adaptación que caracteriza a las angiospermas y que contribuye a su diversificación y abundancia es su sistema vascular, el cual es muy desarrollado y eficiente. • Asimismo, disponen de hojas anchas con mayor superficie para captar mayor cantidad de energía luminosa del sol en el proceso de la fotosíntesis.
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
Objetivo Comparar las estructuras de las flores. Consideraciones teóricas Las estructuras reproductoras de las angiospermas están en la flor. La flor consta de las siguientes partes: en el receptáculo, que es la base, se encuentran los sépalos, unas hojas pequeñas casi siempre de color verde y que en su conjunto forman el cáliz. La parte que más apreciamos de una flor son los pétalos, por sus vistosos colores, que forman la corola, en cuyo interior se encuentran: a) los estambres, que son las estructuras reproductoras masculinas y cada uno consta de filamento y antera; en esta última es donde se producen los granos de polen; b) en la parte central se ubica el carpelo o pistilo, estructura reproductora femenina que consta de ovario, estilo y estigma. En el estigma es donde llega el grano de polen durante la polinización, y también donde después de formar el tubo polínico del estigma al ovario un núcleo espermático del polen alcanza y fecunda a la ovocélula en el ovario, la cual forma el cigoto, que da origen al embrión de la nueva planta. Material • Dos o tres flores completas.
• Portaobjetos.
• Microscopio de disección.
• Una navaja de rasurar.
• Vaso de precipitado con agua y un gotero.
Procedimiento 1. Desprende con cuidado las partes de una flor grande, sencilla pero completa (como las gladiolas) (fig. 3.37). Empieza por los sépalos, continúa con los pétalos y por último desprende los estambres (órgano masculino de la flor). Debe quedar únicamente, en la parte central de la flor, el carpelo o pistilo (órgano femenino). 2. Con una navaja de rasurar corta con cuidado el ovario transversalmente, que es la parte inferior y abultada del gineceo, y observa su interior con la lupa o el microscopio de disección. 3. Realiza el mismo procedimiento con cada una de tus flores. Conclusiones Dibuja el corte transversal del ovario y contesta: • ¿Qué estructuras observas? • ¿Qué forma tienen? Ahora, observa y dibuja el estigma (extremo superior del pistilo): • ¿Qué característica presenta la superficie del estigma? • ¿Qué importancia tiene? Coloca sobre el portaobjetos una gota de agua y sobre ésta unos granos de polen, obsérvalos al microscopio. • ¿Qué forma tienen?
Figura 3.23
• ¿Cuál es el proceso por el que los gametos masculinos alcanzan al óvulo?
Gladiola.
Dibuja lo observado. Elabora un reporte donde además de explicar las funciones de las estructuras reproductoras de las flores que observaste, destaques la importancia que tiene la flor en la adaptación y diversificación de las plantas en el medio terrestre, así como las similitudes y diferencias en las estructuras florales. Argumenta tus respuestas con los elementos teóricos que has revisado durante tus clases; establece bien cuándo se relaciona lo teórico con lo práctico de la vida cotidiana. 131
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Plantas
y reducir los costos de producción, se presenta como alternativa más viable el cultivo transgénico. Las plantas transgénicas son aquellas que por medio de las técnicas de la biología molecular de la ingeniería genética, se les introduce genes de plantas de otra especie, incluso de otros grupos de organismos como bacterias, hongos y animales.
En su vida de nómadas los grupos humanos cubrían sus necesidades alimentarias mediante la caza, la pesca y la recolección de frutas, hojas, raíces y granos. Con el descubrimiento de la agricultura se les facilitó disponer de los recursos para satisfacer especialmente la demanda alimentaria.
Estas nuevas técnicas permiten manipular la información genética de los organismos y de esta manera obtener productos transgénicos de mejor calidad.
Más tarde, los agricultores buscaron mejorar sus cultivos y obtener de ellos nuevas variedades con mejor calidad nutricional, mayor rendimiento y facilidad de cultivo. Para ello, practicaron la selección artificial y la cruza entre especies emparentadas. De esta manera, las plantas cultivadas que presentaban caracteres mejorados se seleccionaron y se incrementaron por medio de los ciclos de cultivo, hasta obtener la nueva variedad poseedora de los rasgos deseados.
El organismo transgénico, como en el caso de las plantas, se modificó su patrimonio genético al incorporarle genes de especies diferentes por medio de la ingeniería genética, por eso también se llaman organismos modificados genéticamente (OMG).
Este procedimiento para crear nuevas variedades se conoce como fitomejoramiento tradicional y sus logros fueron exitosos por mucho tiempo. Sin embargo, con el crecimiento actual de la población humana —se calcula que somos más de 6 000 millones de habitantes en el mundo—, con más de 840 millones afectados por el hambre, el fitomejoramiento tradicional resulta insuficiente para cubrir las necesidades alimentarias que impone el crecimiento poblacional.
El desarrollo de esta nueva tecnología despertó inquietud en diferentes sectores de la sociedad, particularmente en los grupos ambientalistas, los cuales se manifiestan rechazando el consumo de los productos transgénicos, ante la desconfianza de que los genes foráneos que se introducen en las plantas puedan generar daños a la salud humana o producir alteraciones en los ecosistemas. Frente al debate que surgió entre los defensores y detractores de los productos transgénicos hay quienes sugieren un previo análisis científico de los beneficios y riesgos que de cada caso pudiera derivar.
Plantas transgénicas Actualmente, para elevar el rendimiento de producción, desarrollar en los cultivos su resistencia al ataque de plagas y enfermedades
4. COORDINACIÓN CELULAR Las células de las plantas trabajan en forma coordinada para producir las respuestas a los estímulos que reciben de su medio externo e interno. Para ello, se establece la comunicación entre célula y célula por medio de las fitohormonas (hormonas vegetales), que son mensajeras químicas, moléculas secretadas por una célula que influirán en las actividades de otra célula.
Hormonas vegetales A diferencia de algunos animales que disponen de los sistemas nervioso y endocrino para regular las respuestas a los estímulos y mantenerse relacionados con su medio, las plantas sólo tienen coordinadores químicos que son las hormonas vegetales o fitohormonas. Los grupos de fitohormonas que más se conocen son: auxinas, giberelinas, citocinas, ácido abscísico y etileno. Auxinas. El ácido indolacético (AIA) es la sustancia que inicialmente se le asignó el nombre de auxina, después se descubrieron otras sustancias con acción semejante que también se identificaron con 132
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA el mismo nombre. Las auxinas participan en el alargamiento celular, la formación de la ared celular pared celular y la dominancia del crecimiento apical. La concentración de la auxina por el lado sombreado de las yemas de los tallos promueve el alargamiento celular de ese lado, lo que hace que el tallo se flexione hacia la luz; este proceso se conoce como fototropismo positivo. El predominio del crecimiento apical inhibe el crecimiento de las yemas laterales. Esta dominancia puede interrumpirse con el corte de la yema terminal, lo que propicia el desarrollo de las yemas laterales. Las auxinas promueven el crecimiento radicular (raíces) en los vegetales. Giberelinas. En 1938, los científicos japoneses Teijiro Cubata (1888-1977) y Yuseke Sumiki (1901-1974), identificaron y aislaron el ácido giberélico. Sin embargo, en 1955 esta hormona se conoció en el mundo occidental y despertó el interés de especialistas y horticultores que comprobaron que la hormona promueve el alargamiento del tallo; así lo demostraron las plantas a las que se les aplicó giberelinas, ya que crecieron dos o tres veces más que aquellas que no fueron sometidas al tratamiento.
Figura 3.24
Crisantemo, flor de dia corto.
Las giberelinas inducen a la formación de flores en la mayor parte de las angiospermas, e interrumpen el periodo de latencia de las semillas. Citocinas. Al parecer este grupo de fitohormonas influye junto con las auxinas en la mitosis de las células de los meristemos, promueve la síntesis de proteínas y retrasa el envejecimiento de las hojas. Ácido abscísico (aba). Actúa en las hojas de las plantas expuestas a condiciones de sequía y activa el cierre de los estomas. De esta manera, las plantas ahorran agua y aumentan su posibilidad de supervivencia. También, induce la latencia de yemas y semillas —es decir, inhibe el crecimiento apical al disminuir la división celular en las yemas— y retarda la germinación de semillas.
Figura 3.25
Los tréboles son ejemplos de día largo.
Etileno. Esta hormona vegetal gaseosa promueve la germinación de las semillas, inhibe el alargamiento celular de la planta y estimula la floración y la maduración de las frutas. Durante su proceso de maduración, las frutas producen etileno, lo que activa más la maduración, por eso se utiliza comercialmente para hacer madurar algunas frutas. También se difunde de fruta en fruta: la secreción de etileno de una fruta madura activa la maduración de frutas vecinas. De allí el fundamento del dicho “la manzana podrida daña al resto”; la manzana podrida sería la más madura que al liberar grandes cantidades de etileno acelera la maduración de las otras manzanas. Además, el etileno estimula la abscisión de la hoja (foliar); en esta función al parecer influye la concentración de la auxina en la hoja que disminuye cuando se acerca el otoño, al mismo tiempo que el etileno se produce en la base del peciolo.
Fotoperiodos Se llama fotoperiodo a la duración del día respecto a la noche; fenómeno que resulta del cambio de las estaciones del año. Las plantas detectan estos cambios y hasta se anticipan a ellos a través de la fotoperiodicidad.
La periodicidad en la floración La fotoperiodicidad es toda reacción de las plantas ante la duración del día y la noche. De acuerdo con la respuesta de la floración a las variaciones del fotoperiodo, las plantas se identifican en tres grupos:
133
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Oscuridad 8 h. Luz 16 h.
Oscuridad 16 h. Luz 8 h.
Oscuridad 16 h. interrumpida Luz 8 h.
No florece
Planta de día corto
No florece
y
Florece
Florece
No florece
Florece
Planta de día largo
el
las de día corto o de noche larga, las de día largo o de noche corta y las neutras. Las de día corto florecen cuando tienen periodo de oscuridad más largos que cierto periodo crítico según su especie; por ejemplo, la noche buena, los crisantemos las dalias (fig. 3.24). Las plantas de día largo florecen cuando la noche tiene una duración menor de un periodo crítico, como las espinacas, el trébol y la lechuga (fig. 3.25); las neutras son las que florecen en forma independiente del fotoperiodo, porque seguramente reaccionan ante otro tipo de estímulo, por ejemplo, el tomate, diente de león y el frijol.
Mecanismos de respuesta
Figura ra 3 3.26 26
Experimento que muestra las respuestas de fotoperiodicidad de las plantas de día corto y de día largo.
Latencia. Es un estado temporal en el que se reducen las actividades fisiológicas de la planta. De esta manera, resiste las condiciones desfavorables del ambiente en los periodos de frío y de sequía. Esta característica que permite a la planta sobrevivir ante las condiciones adversas de su medio al igual que las demás adaptaciones desarrolladas, tiene una base genética en sus células. Se descubrió que la hormona que más induce la latencia es el ácido abscísico (ABA), al cual se le asignó este nombre porque en un principio se pensó que promovía la caída de las hojas, flores y frutos (abscisión); actualmente, se sabe que casi no tiene relación con la abscisión. En cambio se comprobó que inhibe el crecimiento apical al disminuir la división celular de las yemas, asimismo retarda la germinación de las semillas. Por lo que se identificó como la hormona que activa cambios en los tejidos vegetales ante condiciones de sequía y salinidad.
Figura 3.27
El fitocromo. Existe en dos formas Pr y Pfr, esta última es la forma activa. Ambas se convierten de una forma a otra. La luz roja (660 nm) convierte el Pr en Pfr y la luz roja lejana (730 nm) convierte el Pfr en Pr.
Floración. Las angiospermas florecen en distintas épocas del año. Ya hemos visto, como ejemplo de la fotoperiodicidad, la respuesta biológica de la floración ante los cambios de la duración de la luz en relación con la oscuridad de la noche (las plantas se agrupan en de día corto, de día largo y neutras). Sin embargo, se llegó a comprobar que el estímulo del medio que promueve la floración no es la duración de la luz del día, sino el periodo de oscuridad de la noche. Se experimentó con plantas de día corto que requieren menos de 16 horas de luz por cada 24 horas de oscuridad para florecer (fig. 3.26). Cuando se interrumpe su periodo largo de oscuridad en tan sólo un minuto, al exponerlas a la luz de una lámpara, las plantas no florecen. Lo que indica que requieren un periodo mínimo de oscuridad ininterrumpida 134
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA para florecer. En cambio, las plantas de día largo, que florecen en periodos de luz de 16 horas y oscuridad de ocho horas, cuando se someten a periodos de ocho horas de luz y 16 de oscuridad, en laboratorio, también pueden florecer si la oscuridad se interrumpe brevemente por la exposición de la luz de una lámpara. De esta manera responden ante la interrupción artificial del periodo de oscuridad como si se tratara de dos noches cortas de inicio de la estación de verano y florecen. Situación que aprovechan los floricultores para hacerlas florecer fuera de la estación en que normalmente lo hacen.
Fitocromo y floración El fitocromo es un pigmento verdeazul que se encuentra en las células de plantas vasculares, actúa como fotorreceptor (sensible a la luz y, también, la absorbe) en una gran variedad de reacciones fisiológicas, entre ellas la floración. El fitocromo lo constituye una familia de proteínas, cada una codificada por un gen distinto. Cada molécula del fitocromo se encuentra en dos formas intercambiables: Pr y Pfr. La forma Pr absorbe radiación de luz roja de una longitud de onda de 660 nanómetros (nm); la forma Pfr absorbe radiación de luz roja lejana, de una longitud de onda de 730 nm y es la forma molecular activa del fitocromo que induce o inhibe reacciones fisiológicas. Con facilidad ambas se convierten de una a otra forma, cuando la forma Pr absorbe luz roja se convierte en Pfr y cuando la forma Pfr absorbe luz roja lejana se transforma en Pr. Durante la noche, la forma Pfr revierte a la forma Pr, por eso su concentración disminuye; en cambio, cuando la planta se expone a la luz solar la concentración de Pfr se incrementa (fig. 3.27).
Figura 3.28
El algodón, planta que sigue el movimiento solar.
La forma Pfr inhibe la floración de las plantas de día corto, de tal manera que estas plantas requieren de noches largas para florecer, ya que durante ellas hay mayor conversión de Pfr a Pr. No es así en las plantas de día largo en las que la forma Pfr induce la floración, porque aunque disminuye la concentración de la forma activa Pfr por su conversión a Pr, debido a lo breve que resultan los periodos de oscuridad, la planta conserva suficiente Pfr para inducir la floración. Cuando el periodo de oscuridad se interrumpe a la mitad por una breve iluminación de luz roja gran parte del fitocromo se vuelve a convertir de Pr a Pfr, lo que inhibe la floración de las plantas de día corto e induce la floración de las de día largo. El porqué las diversas plantas reaccionan de manera diferente a la forma activa del fitocromo (Pfr) aún es objeto de estudio. Ciclos circadianos. Circadiano (de los vocablos latinos circa, cerca, alrededor de y dies, día) significa que son ritmos que ocurren en ciclos de 24 horas. Estos ciclos diarios obedecen a un reloj biológico interno y suceden aun sin estímulos externos. Sin embargo, el ciclo de luz y oscuridad, del día y la noche, ayudan a mantener sincronizado el reloj biológico. Los ciclos circadianos difieren de la fotoperiodicidad en la que la planta responde a cambios de duración del día y la noche que se presentan en distintas épocas del año. Ejemplos del ritmo circadiano en plantas son la apertura y el cierre de sus estomas, ciertos movimientos que se observan en la planta de frijol, que durante el día extiende sus hojas en forma horizontal, lo que permite mayor absorción de luz solar y en la noche las hojas se pliegan hacia abajo. Tropismos. Este término viene del griego tropos que significa vuelta o movimiento hacia y del subfijo latín ismus, que quiere decir tendencia. Es la respuesta del vegetal mediante la orientación de su crecimiento a un estímulo externo. Cuando su crecimiento se orienta hacia el estímulo se dice que su tropismo es positivo, mientras que si es en sentido opuesto, su tropismo es negativo. Las hormonas controlan los tropismos. 135
Figura 3.29
La planta sensitiva Mimosa.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Aprende a ser en la biología En equipo, diseñen un experimento para comprobar el fototropismo de una planta, reúnan el material que la actividad requiere y procedan a llevarlo a cabo. Con la participación de cada uno de los integrantes del equipo, elaboren un reporte en el que expondrán ante el grupo sus conclusiones, argumentando teóricamente lo que resultó de su experimento; asimismo, mencionarán la importancia que este proceso tiene en el medio ambiente en el que se desenvuelven.
Evaluación formativa Contesta brevemente las preguntas siguientes: 1. Explica la fotoperiodicidad mediante ejemplos de plantas que presenten algunos cambios. 2. ¿Qué ventajas le reportan a la planta su periodo de latencia? Menciona algunas que se vean favorecidas por este estado temporal. 3. ¿Cómo se puede forzar a una planta de día largo (que florece en verano) para que florezca en días cortos (invierno)? 4. ¿Qué diferencias hay entre el fototropismo y el tigmotropismo? Cita algunos ejemplos que caractericen a cada uno de ellos. 5. ¿Por qué la respuesta nástica de la planta sensitiva Mimosa son movimientos por turgencia? 6. ¿Qué son los ciclos circadianos? Cita un ejemplo.
Figura 3.30
Plantas medicinales.
• Fototropismo. Es el crecimiento de la planta que se estimula por la luz. Las yemas de la mayor parte de los tallos crecen hacia la luz, lo que indica que exhiben un fototropismo positivo, el cual se debe a que por el lado sombreado se concentra la mayor cantidad de la hormona auxina, que promueve el alargamiento de las células de ese lado, lo que propicia que el tallo se flexione hacia la luz. • Gravitropismo (también se nombra geotropismo). Es el crecimiento de la planta en respuesta a la gravedad. Mientras las raíces manifiestan un gravitropismo positivo porque crecen orientados hacia el centro de la Tierra, el tallo presenta un gravitropismo negativo, ya que crece en sentido opuesto. • Tigmotropismo. Es el crecimiento de la planta en respuesta al contacto con algún objeto sólido; por ejemplo, las plantas que forman enredaderas crecen cuando sus zarcillos (hojas modificadas) entran en contacto con el alambre de alguna cerca y se enrollan alrededor de él. • Heliotropismo (también se llama seguimiento solar). Consiste en la capacidad de algunas plantas de seguir el movimiento solar con sus hojas o flores; por ejemplo, el girasol y el algodón (fig. 3.28). • Hidrotropismo. Es la respuesta de los vegetales frente a un estímulo cuyo origen es el agua; las raíces se dirigen a los sitos de mayor humedad. Nastias. Las respuestas násticas se ejecutan por algunas plantas como reacción a un estímulo, pero no se orientan o alejan de él; su duración es pasajera. La planta sensitiva Mimosa pudica, a unos pocos segundos de que se toca una de sus hojas, todas éstas se repliegan y el peciolo se dobla. Lo que sucede es que una señal eléctrica (semejante al impulso nervioso en los animales) recorre la hoja, pasa al pecíolo y llega a los órganos que se llaman pulvinios, los cuales se localizan en la base de los foliolos (las partes de una hoja compuesta) y del peciolo. La señal eléctrica desencadena una señal química que torna más permeable la membrana celular de los órganos pulvinios a los iones de potasio. La salida de estos iones hace que también salga el agua por ósmosis. Con esta alteración en la turgencia, las células se encogen y pierden la rigidez con la que sostenían las hojas. Cuando lo iones de potasio y el agua regresan a las células, éstas recuperan la rigidez suficiente para sostener las hojas, las cuales recuperan su posición normal (fig. 3.29). Otro ejemplo de movimiento nástico es el que realiza la planta atrapamosca de Venus (Dionaea muscipula), que cuando una mosca se posa sobre una de sus hojas y llega a friccionar sus pelos sensitivos, se genera un impulso eléctrico que hace que las dos mitades de la hoja se cierren presionando al insecto atrapándolo contra las glándulas secretoras de enzimas digestivas que tiene la hoja, de esta manera el insecto muere y es digerido. 136
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Una explicación que se usa acerca de la causa de esta respuesta nástica es la siguiente: el impulso eléctrico que se genera por los movimientos de los pelos sensitivos cuando se friccionan por la mosca, activan una enzima, la cual al emplear energía del ATP bombea iones de hidrógeno (H+) hacia las paredes de las células epidérmicas de la superficie externa de la hoja (que se encuentran comprimidas cuando la hoja está abierta). La acidificación de las paredes celulares que se crea por la concentración alta de iones de H+, desencadena una serie de reacciones químicas, que no se conocen aún del todo, las cuales propician que las células de ese lado de la hoja absorban agua y se expandan, lo que hace que la hoja se cierre con rapidez, a manera de trampa.
5. PLANTAS MEDICINALES Las culturas prehispánicas que se establecieron en nuestro país ya tenían conocimientos sobre del uso de las plantas medicinales; sin duda lo heredaron de nuestros antepasados cazadores y recolectores, que no sólo dedicaban su tiempo a la búsqueda de alimento, sino también a descubrir nuevos recursos. Aprendieron a identificar las nuevas especies de plantas mediante la práctica de probarlas y emplearlas. Tal vez de esta manera se descubrieron las propiedades curativas de las plantas y los conocimientos que se derivan de su uso, los cuales se amplían y se mejoran de generación en generación.
Figura Fig ura ra 3 3.31 31
Al ajo se le atribuyen propiedades curativas y a la flor de azahar para contrarrestar la alteración nerviosa.
Uso de plantas con fines médicos La planta medicinal es la que contiene sustancias con principios activos que se emplean para combatir las enfermedades (fig. 3.30). Esos principios—que tienen algún efecto en el organismo humano—, son adaptaciones fisiológicas que evolucionaron como mecanismo de defensa química de la planta para evitar su consumo por los animales herbívoros como los insectos. La industria química farmacéutica aprovecha los principios activos de muchas plantas para la elaboración de sus medicamentos. Por ejemplo, la aspirina que se emplea para el tratamiento de los dolores de cabeza, la fiebre y la inflamación, se prepara empleando como principal componente el principio activo que se extrae de las hojas y la corteza del sauce y también de otras plantas. Muchos productos esteroides en los que se incluyen las hormonas sexuales masculinas y femeninas, las píldoras anticonceptivas y otros productos, se fabrican a partir del barbasco, planta silvestre del trópico mexicano. Sin embargo, es de reconocerse que con el desarrollo de los procesos químicos de síntesis, es posible fabricar de manera artificial las moléculas orgánicas, lo que conlleva a desplazar el procesamiento de las plantas medicinales en la industria farmacéutica, en gran parte.
La fitoterapia Actualmente se lleva a cabo un resurgimiento de la fitoterapia, nombre que se asigna a la terapia con base en hierbas o partes de plantas con propiedades curativas porque se le considera una medicina natural, y una gran parte de esas plantas contienen los mismos principios activos que los fármacos industrializados (fig. 3.31). 137
Evaluación formativa 1. Realiza una investigación documental acerca de los usos de las plantas medicinales de tu región. Expón los resultados para su discusión ante el grupo, destacando principalmente los beneficios o desventajas que cada una tiene. 2. En equipo, elaboren un herbario con las plantas medicinales más representativas de la región. Redacten un reporte del trabajo (con la participación de todos los integrantes del equipo) y expongan su trabajo ante el grupo.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Plantas medicinales • Ajo. Se le atribuyen muchas propiedades curativas, entre ellas destaca su acción diurética, mejora la circulación sanguínea y alivia los dolores reumáticos. • Eucalipto. Sus hojas se emplean para combatir enfermedades de las vías respiratorias. • Epazote. Esta hierba se emplea para la expulsión de los parásitos intestinales. • Árnica. Sus flores se utilizan para curar golpes y heridas, así como la bronquitis. • Azahar (nombre que recibe la flor del naranjo y del limonero), de la infusión de esta flor se usa para contrarrestar la tensión nerviosa. • Manzanilla. Se utiliza para estimular la digestión y calmar los cólicos por indigestión. • Ruda. La infusión que se obtiene de esta planta se emplea para calmar cólicos hepáticos o intestinales.
6. CARACTERÍSTICAS DE LOS HONGOS Los hongos forman un grupo diverso de organismos, algunos investigadores calculan cerca de 100 000 especies, cuyo hábitat es el aire, el agua y, sobre todo, el suelo húmedo. A este grupo pertenecen las levaduras (Saccharomyces cerevisiae) que se aprovechan en la fabricación de la cerveza y el pan, el moho negro (Rhizopus nigricans) que se le forma al pan, los champiñones que se emplean en la preparación de los alimentos; todos pertenecen al reino fungi. Aunque algunos son unicelulares como las levaduras predominan los multicelulares como las setas. Los hongos se forman de células eucariotas, son de nutrición heterótrofa. Algunos son parásitos que obtienen sus nutrientes de los tejidos vivos de su hospedero, la mayoría es saprófago, es decir, que se nutre de materia orgánica muerta y desechos de otros organismos por digestión extracelular y absorción. Primero, secretan enzimas fuera de sus células que degradan Actividad con TIC las moléculas orgánicas grandes en otras más pequeñas —lo que se llama digestión Haciendo uso de las TICs, extracelular—, después absorben la materia digerida. investiga las características específicas de la división de los hongos y con la información obtenida elabora un cuadro comparativo donde incluyas imágenes.
Anteriormente se creía que los hongos eran plantas sin clorofila y debido a que la mayoría crece en el suelo como lo hacen las plantas, por mucho tiempo se les incluyó dentro de los vegetales. Sin embargo, estudios posteriores acerca de su estructura celular revelaron que la pared celular del hongo se compone especialmente de quitina, un carbohidrato complejo, que también es componente de la estructura del exoesqueleto de algunos animales como los artrópodos; por tanto, es diferente a la composición de la pared de la célula vegetal que se forma de celulosa. Además, su tipo de nutrición heterótrofa, estructuras corporales y forma de reproducción hacen diferente a los hongos no sólo de las plantas sino de cualquier otro organismo, por lo que se consideró clasificarlos en un grupo propio, el fungi (fig. 3.33).
Reproducción y crecimiento Los hongos, de acuerdo con su especie y las condiciones de su medio, se reproducen en forma asexual y sexual. Asexualmente se reproducen por multiplicación vegetativa (fragmentación), bipartición, gemación y esporulación. Figura 3.32
Los hongos son organismos heterótrofos de células eucariotas.
• Multiplicación vegetativa (fragmentación). Consiste en que al fragmentarse las hifas o el micelio, los trozos se separan del talo del hongo y al transportarse por el viento, agua o animales a un sitio propicio, desarrollan nuevos micelios.
138
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
Hongos
Son de células eucarioticas
Unicelulares
Multicelulares
Nutrición
Se reproducen
Asexualmente por: fragmentación, bipartición, gemación y esporulación
En forma sexual por conjugación
Saprófaga
Parásita
Formados por células filamentosas llamadas hifas Figura 3.33 Las hifas se entrelazan y forman el micelio (cuerpo del hongo)
Características del reino fungi.
• Bipartición. La célula se divide en dos células pequeñas por fisión o simple división. • Gemación. La nueva célula se forma a partir de un brote o yema que se origina en la célula progenitora. La bipartición y la gemación se presentan en organismos unicelulares como la levadura. • Esporulación. Es la forma más común de la reproducción asexual y sexual de los hongos, a través de ella se forman esporas haploides (n) que al dispersarse en medios adecuados germinan y originan nuevas hifas. Por lo general, las esporas disponen de una pared resistente que les permite soportar condiciones adversas del medio físico, como sequía, temperaturas bajas y altas, fluctuaciones en el pH de su ambiente, etc., que les posibilita llevar por cierto tiempo una vida latente. Por acción de diversos agentes como el viento, el agua y los animales, las esporas se dispersan a otras zonas y al encontrar las condiciones favorables germinan, lo que da origen a nuevas hifas que se entrelazarán para formar sus micelios. Con frecuencia en la reproducción sexual de los hongos se presenta cierto tipo de conjugación, en la cual dos hifas genéticamente diferentes pero compatibles de apareamiento, se unen en forma lateral, bajo la superficie donde se fija el hongo y forman un cigoto diploide (2n). En algunos hongos cuando las hifas se unen no se fusionan de inmediato los dos núcleos, sino que se mantienen separados dentro de la célula —por eso, estas hifas se llaman dicarióticas—; después, ocurre la fecundación en la que los dos núcleos se fusionan y se forma el cigoto, que es la única etapa diploide del hongo, ya que de inmediato ocurre la meiosis y pasa a un estado haploide (n), en la cual permanece la mayor parte de su ciclo de vida.
Crecimiento La mayoría de los hongos se compone de finos filamentos que se llaman hifas, las cuales crecen por alargamiento de su extremo superior, y su desarrollo es a partir de las esporas del hongo. Cuando las hifas de un hongo crecen se entrelazan formando una red que se llama micelio, que es el cuerpo del hongo. Algunos hongos tienen hifas cenocíticas, cada una se forma de una célula alargada con varios núcleos esparcidos en un citoplasma. En otros, las hifas presentan paredes transversales que se llama septos, así se forman células individuales con uno o varios núcleos, la que depende de su especie. Los nutrientes que se distribuyen entre las células fluyen a través de los poros que tienen los septos. Las hifas cenocíticas pueden formar septos en determinadas condiciones de su vida. Por ejemplo, al desarrollar sus estructuras reproductoras, cuando escasean sus nutrientes o en su periodo de vejez. 139
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Lo que observamos sobre el suelo húmedo del jardín o del bosque son las hifas aéreas (se localizan fuera del sustrato), las cuales forman el talo donde se producen las estructuras en las que se desarrollan las esporas. Estas hifas se encuentran unidas a un extenso micelio que se desarrolla bajo la superficie donde se encuentra el hongo.
Importancia ecológica, económica y médica Importancia ecológica Figura 3.34
Alexander Fleming.
En este aspecto destaca la acción de los hongos saprobios; del mismo modo que las bacterias, participan en la descomposición de la materia orgánica, se nutren de los desechos orgánicos así como de las plantas y animales muertos, y convierten sus moléculas en gases y sales minerales que se desechan al medio para aprovecharse por los autótrofos en su proceso de fotosíntesis, de donde la mayoría de los organismos obtienen su alimento y el oxígeno necesario para su respiración. De esta manera, los hongos contribuyen al equilibrio del ambiente.
Importancia económica Desde este punto de vista resulta relevante la actividad de las levaduras, que por su capacidad de fermentar azúcares y producir alcohol etílico y bióxido de carbono, se aprovechan en la elaboración de vinos, cervezas y en la industria panificadora. Figura 3.35
Huitlacoche, hongo del maíz.
Evaluación formativa 1. ¿Cuáles son las características que hacen que los hongos sean diferentes a las plantas y a otros organismos? Ejemplifícalo con diversos tipos de cada uno. 2. Describe dos formas de reproducción asexual en los hongos. 3. Integrado a tu equipo de biología, elaboren un periódico mural sobre la importancia de los hongos como descomponedores de la materia orgánica, su empleo en diferentes áreas industriales, como causantes de enfermedades en plantas, animales y en humanos, los venenosos y los alucinógenos. El periódico será presentado ante el grupo, con la intervención de cada integrante del equipo para su evaluación.
En la producción de algunos quesos como el roquefort desempeñan un importante papel algunas especies de hongos del género Penicillium, al cual también pertenece el hongo que descubrió Alexander Fleming en 1928 (fig. 3.34), con el que se fabricó la penicilina que fue el primer antibiótico. Entre los setas comestibles que más se conocen se encuentran los champiñones (Agaricus bisporus), los cuales se cultivan y se aprovechan en la alimentación humana. Otros hongos son silvestres, como el carbón de maíz, conocido como cuitlacoche o huitlacoche (Ustilago maydis), que causan pérdidas en la cosecha de esta planta. En México se aprovecha en la preparación de alimentos (fig. 3.35). El cornezuelo del centeno es una infección a causa del ascomiceto Claviceps purpurea. La estructura que se llama cornezuelo crece formando una masa de hifas en el lugar donde se desarrollarían las semillas del centeno. Este hongo produce sustancias tóxicas que afectan al ganado o a las personas que lleguen a comer el grano contaminado. El trastorno que causa la intoxicación del cornezuelo se conoce como ergotismo. Otros hongos parásitos que atacan las plantas son los que producen roya de los tallos de trigo y la podredumbre parda del durazno. Hay hongos que causan infecciones de la piel en seres humanos como los que producen la tiña y el píe de atleta. La candidiasis es otro tipo de infección micótica, que se causa por la levadura Candidase en las membranas que cubren la boca, garganta o vagina. Consumir los hongos silvestres resulta peligroso, especialmente cuando no se sabe diferenciar entre las setas comestibles y las venenosas. Algunas de estas últimas pertenecen al género Amanita. Los hongos alucinógenos como los del género Psilocybe, se ingieren entre algunos grupos indígenas mexicanos en las ceremonias religiosas.
140
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Importancia médica También los hongos juegan un papel importante en la medicina, particularmente aquellos de los que se obtienen los antibióticos que se emplean para combatir las infecciones de origen bacteriano. El primer antibiótico que fue descubierto fue la penicilina, el cual se obtuvo de un moho del género Penicillium (fig. 3.36). Un deuteromiceto (también se llama imperfecto porque generalmente se desconoce su reproducción sexual) sintetiza la ciclosporina, una sustancia que inhibe las reacciones inmunes que suelen presentarse por el rechazo de los trasplantes de órganos, lo que posibilita el éxito en este tipo de intervenciones. Figura 3.36
Penicilina.
7. EVOLUCIÓN DE LOS ANIMALES Cuando nos referimos a un animal, inmediatamente pensamos en alguno de los que más se conocen como el perro, el gato, la paloma, la gallina, la serpiente, la rana, la salamandra, el tiburón o la mojarra (fig. 3.37) . En fin, sin proponérnoslo sólo centramos nuestra atención en los vertebrados, que apenas representan 5% del reino animal, el 95% restante corresponde a los invertebrados (sin columna vertebral), y son los animales que menos se conocen: por ejemplo, las esponjas, medusas, platelmintos (gusanos planos), nematodos (gusanos cilíndricos), moluscos (pulpos y calamares), anélidos (gusanos de cuerpo segmentado como la lombriz de tierra), artrópodos como los crustáceos (langostas, camarones), arácnidos (arañas, escorpiones, garrapatas), insectos (saltamontes, moscas, escarabajos; figura 3.38) y equinodermos (erizos, estrella de mar).
Árbol filogenético de los principales grupos de animales Porífera. A este phylum pertenecen las esponjas (fig. 3.39), animales marinos generalmente. Son de muchas especies y diferente tamaño, su cuerpo se forma por una capa externa y otra interna de células. La capa externa está cubierta de células epiteliales, contiene muchos poros (de donde se deriva el nombre de porífera, que significa poseedor de poros). La capa interna se forma por células flageladas que son los coanocitos o células de collar —lo que hace suponer que pudieron haber evolucionado a partir de un protista colonial semejante a los coanoflagelados, que son protozoarios flagelados—. Entre ambas capas se localiza una sustancia gelatinosa con células amebocitos (se parecen a las amibas), las cuales desempeñan varias funciones, entre las que sobresale el transporte de alimento de los coanocitos a las células epiteliales. Por tanto, ambas
Figura 3.37
Los vertebrados han desempeñado un papel importante en la conservación de la biodiversidad.
Figura Fig igura ura 3 3.38 38
Figura 3.39
La araña y el escarabajo son ejemplos de animales invertebrados.
Un ejemplo de esponja. 141
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA capas celulares son diferentes al ectodermo y el endodermo de otros animales. Las esponjas son asimétricas unas y otras son de simetría radial, aunque en ellas se presenta cierta diferenciación celular, carecen de sistema nervioso y de órganos definidos. No disponen de una cavidad digestiva. Los coanocitos además de mantener en circulación el agua por el movimiento de sus flagelos, atrapan y digieren las partículas de alimento. Las esponjas están adaptadas a vivir fijas al sustrato del fondo marino. Algunas en forma solitaria y otras agrupadas como colonias, pero al parecer, sin ninguna especialización de funciones entre los individuos del grupo. Las esponjas son los animales de menor grado de complejidad y su desarrollo con características únicas, sugiere que evolucionaron en forma independiente de los demás animales, por eso a veces se les ubica en un subreino aparte, el de los Parazoos, que significa al lado de los animales (fig. 3.40).
Figura 3.40
Árbol filogenético que propuso Libby Hyman en 1940. En él se describe la evolución de los metazoarios a partir de protozoarios coloniales, que dieron origen a organismos planuloides (semejante a las larvas plánulas de los Cnidarios). De los ancestros planuloides evolucionaron los Cnidarios, los ancestros acelomados (platelmintos acelos) y los seudocelomados (como los rotíferos y nematodos). Más tarde aparecen los celomados ancestrales de donde divergieron por un lado los artrópodos, pasando por los moluscos y los anélidos y por otro los cordados, pasando por los equinodermos y los hermicordados. La esponja, según este árbol, se sitúa entre los flagelados coloniales y el ancestro planuloide.
Cnidarios. Phylum que incluye las hidras (fig. 3.41), anémonas de mar, corales y medusas. Son animales en su mayoría marinos, de simetría radial, su cuerpo tiene forma de saco, con una cavidad digestiva que se llama cavidad gastrovascular, que dispone de una sola abertura o boca, rodeada por tentáculos. Estos organismos son dipoblásticos, es decir, se forman por dos capas de células: el ectodermo y el endodermo, separadas por una mesoglea gelatinosa. Todos tienen sobre sus tentáculos células urticantes llamados cnidocitos (quiere decir, células de aguijón), que les sirven para defenderse y para capturar a la presa. Los cnidarios, también llamados celenterados, ya disponen de una red nerviosa sencilla; la diferenciación de sus capas celulares es más avanzada que las de la esponja, por lo que, sus funciones se realizan por tejidos especializados; se cree que evolucionaron a partir de un animal marino parecido a una plánula. Platelmintos. Este phylum incluye la clase turbellaria que se integra por animales acuáticos, y cuyo ejemplo es la planaria (fig. 3.42); la clase tremátoda que son parásitos, por ejemplo la fasciola hepática; y la clase céstoda que son platelmintos endoparásitos como la Taenia solium, parásito del intestino humano. Con estos organismos, los metazoarios adquieren un nuevo
Figura 3.41
Figura 3.42
La hidra como ejemplo cnidario.
Taenia solium, se aprecia la escólex (10x). 142
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA nivel de organización superior al reemplazar la mesoglea gelatinosa de los cnidarios por el tejido mesénquima que forma el mesodermo, el cual se ubica entre el ectodermo y el endodermo, por tanto, son animales triplobláticos, de simetría bilateral (con extremos anterior y posterior bien definidos). Su cuerpo es aplanado, debido a ello reciben el nombre de gusanos planos. Son acelomados porque carecen de cavidad corporal entre el tubo digestivo y la pared del cuerpo, además no disponen de sistema circulatorio, su cavidad digestiva que se ramifica a lo largo del cuerpo es de una sola abertura, su sistema nervioso se forma por agrupaciones de células nerviosas en la cabeza llamados ganglios y dos cadenas nerviosas longitudinales en posición ventral. Se encuentran en el medio marino, en agua dulce, y otros son parásitos. Nematodos. Al phylum nematoda pertenecen los gusanos cilíndricos no segmentados (también se llama gusanos redondos o nemetelmintos); viven en aguas marina y dulce y en el medio terrestre, donde desempeñan una importante función como consumidores de materia orgánica. Otros son parásitos de planta, de animales y del hombre. Los nematodos son seudocelomados. El seudoceloma es una cavidad corporal llena de fluido entre el mesodermo y el endodermo que transmite las fuerzas de las contracciones del animal, carece del revestimiento epitelial que caracteriza al celoma. Se reproduce sexualmente y son de sexos separados (el macho es de menor tamaño que la hembra); son triploblásticos, de simetría bilateral, disponen de tubo digestivo completo que inicia en la boca y termina en el ano. Entre los parásitos de los humanos se encuentran la lombriz intestinal, los oxiuros, las filarias y las triquinas. La lombriz intestinal (Ascaris lumbricoides) es ejemplo de parásito intestinal del ser humano. Este gusano mide alrededor de 25 cm de largo se mantiene absorbiendo alimento digerido, se reproduce sexualmente dentro del hospedero y los miles de huevecillos que cada hembra produce al día se expulsan con el excremento. Se transmite al manipular los alimentos sin lavarse las manos después de defecar o a través del agua de riego de los cultivos de las legumbres; los huevecillos suelen infectar a las personas que consumen estos productos y las larvas pueden perforar la pared intestinal e ingresar al torrente sanguíneo dañando otros órganos internos. Los oxiuros (Enterobius vermicularis) son parásitos del intestino grueso, sus huevecillos suelen contaminar los alimentos cuando se manipulan sin lavarse las manos previamente. Las filarias son parásitos de algunos vertebrados entre ellos los humanos, especialmente de las regiones tropicales, en su ciclo requiere de un artrópodo como hospedero intermediario, su ejemplo es Wuchereria bancrofti un nematodo que produce la elefantiasis (fig. 3.43). La triquina causa la triquinosis, enfermedad que se contrae por ingerir carne infectada mal cocida. Moluscos. Las almejas, calamares, caracoles, abulones, ostras, babosas, mejillones y pulpos pertenecen al Phylum mollusca (fig. 3.44). Son de cuerpo blando cubierto por un epitelio llamado manto, el cual contiene glándulas que por secreción producen una concha calcárea (conocida como valva). Presentan simetría bilateral. Su cuerpo consta de cabeza, masa visceral y pie en posición ventral. Generalmente son unisexuales (de sexo separado), aunque también los hay hermafroditas. Son animales triploblásticos, celomados, con aparato digestivo completo. Todas las clases de moluscos, con excepción de los bivalvos, poseen rábula, una cinta con dientes, que se parece a una lengua que el molusco tiene en su cavidad bucal, la proyecta fuera de la boca para raspar el material que le sirve de alimento y para introducir el alimento al tracto digestivo la retrae. Dispone de un sistema circulatorio abierto (la sangre no circula del todo en vasos), baña los tejidos en forma directa y tiene sistema nervioso ganglionar. Las clases que más se conocen de este phylum son: 143
Evaluación formativa En equipo investiga cuáles son los platelmintos y los nematodos que más daño causan a la salud vegetal, animal y humana, la manera en que se infectan y de ser posible, el ciclo biológico de los parásitos. Con la participación de cada integrante del equipo, elaboren un reporte de la investigación para exponerlo ante el grupo, destacando la importancia que tiene saber sobre estos grupos de animales en la vida cotidiana.
Figura 3.43
Elefantiasis, enfermedad a causa del nematodo Wuchereria bancrofti.
Figura Fig ura 3 3.44 44
Los moluscos están constituidos por una gran diversidad de especies.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA La clase gastrópoda (univalvas) incluye caracoles y babosas (fig. 3.45). La mayoría de este grupo se adapta a vivir en aguas marinas, otros en agua dulce o en la tierra. Los gastrópodos o gasterópodos son los animales más numerosos de los moluscos, ocupan el segundo lugar en cantidad de animales después de los insectos. Por lo general los caracoles de jardín reemplazan las branquias por su manto muy vascularizado que hace las veces de un pulmón en su respiración. La clase Bivalvia, también llamada lamelli branchia o Pelecypoda (pie en hacha), se caracteriza por tener dos valvas similares entre sí (ovaladas y convexas). Incluye las ostras, las almejas y los mejillones. Este “pie en hacha” (muy desarrollado en los bivalvos) se utiliza por el animal para su desplazamiento; sin embargo, hay bivalvos que son sésiles, es decir, que se fijan al sustrato. Los bivalvos son animales que viven en agua marina y agua dulce y se alimentan de las algas microscópicas de su medio. Figura Fig ura 3 3.45 45
La mucosidad del caracol le permite regular su tempratura y reducir el riesgo ante las agresiones externas, como el ataque de las hormigas.
Figura Fig i ura 3 3.46 46
El calamar es un ejemplo de cafalópodo.
Evaluación formativa Investiga cuáles son los moluscos, anélidos y artrópodos que reportan cierto beneficio al ambiente o a la sociedad humana, así como también los que causan daño, especificando su hábitat y su temporada de desarrollo. Elabora tu reporte y comenta la importancia de los resultados que obtuviste con tus compañeros de equipo y del grupo.
La clase cephalopoda (“cabeza pies”) incluye a los pulpos y los calamares. Aunque casi siempre el cuerpo es relativamente pequeño, disponen de cabeza y ojos grandes, éstos semejantes a los ojos de los vertebrados. Los cefalópodos son depredadores, su boca se encuentra rodeada de tentáculos, diez en el calamar (fig. 3.46) y ocho en el pulpo, los cuales se encuentran cubiertos de ventosas que sirven para capturar a la presa; se sabe que alcanzan un grado alto de complejidad y se consideran como los invertebrados de mayor avance evolutivo. La concha de este grupo se encuentra reducida o ausente, lo que facilita mayor flexibilidad del manto, como se demuestra cuando utilizan una forma de propulsión a chorro con la que suelen moverse con rapidez. El cefalópodo tiene una cavidad en su manto, el agua que se incorpora en ella circula por las branquias al expulsarse lentamente por una parte modificada de la cavidad que tiene forma de embudo o sifón; pero cuando el animal se enfrente ante un peligro puede contraer la cavidad del manto y expulsar el agua por el sifón, lo que hará que se desplace rápidamente en sentido opuesto, también puede orientar la dirección del embudo para cambiar la dirección de su movimiento. Otro mecanismo que le sirve para ponerse a salvo de sus depredadores es mediante la expulsión de la tinta de sus sacos; se trata de un líquido negro que al liberarse forma una densa nube oscura que confunde y desorienta al depredador, lo que aprovecha el cefalópodo para escapar. Anélidos. Cuando al cavar el suelo húmedo del jardín encontramos algunas lombrices de tierra, asumimos diversas actitudes como las siguientes: matar al pobre animal, separarlo del lugar donde lo encontramos (porque tal vez algunos crean que se trata de un contaminante del suelo) o simplemente sentir asco por la lombriz que se desplaza en ese suelo húmedo. En cambio, habrá quienes estén informados que estos animales desempeñan una labor importante en la formación y fertilización del suelo; mediante sus excavaciones remueven las partículas de tierra y mejoran su ventilación y drenaje, al mismo tiempo que abonan los suelos con sus excrementos. Las lombrices de tierra pertenece al Phylum annelida, que significa “anillado”, por el aspecto que presenta el cuerpo dividido en segmento o metameros. Debido a que cada segmento tiene sus propios músculos, esta característica le reporta al animal cierta ventaja al desplazarse, ya que puede prolongar una parte de su cuerpo al tiempo de acortar otra. La metamerización consiste en la división del cuerpo en partes similares y representa un mayor grado de complejidad en la evolución de los animales. Los anélidos son de simetría bilateral; hay especies que viven en el mar, otras son de agua dulce y algunas de vida terrestre. Los oligoquetos como las lombrices de tierra son hermafroditas. Los anélidos son triplobláticos y celomados, con aparato digestivo completo que se inicia en la boca y termina en el ano. Su sistema nervioso se forma 144
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA por un par de ganglios que funciona como cerebro, con un cordón nervioso central que recorre a lo largo de la superficie ventral del animal. Presenta un sistema circulatorio cerrado, a través de vasos sanguíneos. Los anélidos se clasifican en tres clases: Oligochaeta (gusanos de agua dulce o tierra húmeda), Polichaeta (gusanos marinos) e Hirudinea (sanguijuelas) (fig. 3.47. Artrópodos. Los animales que forman el Phylum arthropoda tienen como principal característica la de poseer apéndices articulados pares (su nombre deriva de los vocablos griegos artros = articulación y podos = patas o pies, “con pies articulados”); son los animales más numerosos y exitosos que habitan el planeta, se adaptan a la mayor diversidad de hábitat. Su exoesqueleto articulado que cubre todo su cuerpo se encuentra formado de quitina y le sirve no sólo para cubrirse y protegerse contra sus depredadores, sino también como medio de soporte y punto de fijación de los músculos. Sin embargo, tiene la desventaja de no crecer una vez formado, por eso a medida que el animal crece se desprende en forma periódica del exoesqueleto para luego volver a formarlo, proceso que se denomina muda o ecdisis; la muda le resulta peligrosa al animal, porque lo deja vulnerable por cierto tiempo a los depredadores.
Figura Fig igura ura 3.47 3 47
Sanguijuela.
El cuerpo segmentado de los artrópodos (por lo general con un par de apéndices en cada segmento), se encuentra dividido en tres regiones: cabeza, tórax y abdomen. Su sistema circulatorio es abierto (fundamentalmente la sangre fluye a través de espacios libres), su celoma es pequeño, su tubo digestivo es completo con boca y ano, los de vida acuática intercambian gases respiratorios por branquias y los de vida terrestre lo hacen por traqueas, que son pequeños tubos ramificados. Su sistema nervioso está formado por una doble cadena de ganglios (un par de ganglios por cada segmento) que se extiende a lo largo de la superficie ventral, los cuales se encuentran intercomunicados por dos cordones de fibras nerviosas. En el extremo anterior de la doble cadena, un par de nervios conectivos rodean al esófago y se unen dorsalmente formando tres pares que se fusionan de ganglios dorsales que es el cerebro. También tienen órganos de los sentidos bien desarrollados y son de sexo separado.
Las tres subphyla en que se dividen los artrópodos actuales Los artrópodos que viven actualmente se dividen en tres subphyla: chelicerata (quelicerata), crustácea y uniramia. En el subphylum quelicerata se encuentran las cacerolas de mar y los arácnidos (arañas, escorpiones y ácaros, figura 3.48); de los artrópodos son los únicos que no tienen antena ni mandíbulas, en cambio poseen un par de apéndices que parecen colmillos, llamado quelíceros, que usan para morder a la presa; estos animales son carnívoros.
Figura Fig i ura 3.48 3 48
La mariposa, el alacrán y el ácaro, constituyen diversas clases de artrópodos.
Al subphylum crustácea pertenecen los camarones, langostas, langostinos, cangrejos y percebes; disponen de mandíbulas y dos pares de antenas. En el subphylum uniramia se incluyen los insectos, los ciempies y los milpies, también tienen mandíbula y solamente un par de antenas (fig. 3.49). Equinodermos. ¿Sorprende que los equinodermos —como la estrella de mar— se ubiquen junto a los cordados, phylum al que pertenece el hombre? La razón es porque ambos comparten rasgos característicos en su desarrollo embrionario distintos de cualquier otro animal. Por ejemplo, a partir de la primera abertura del embrión se desarrolla el ano y después una segunda abertura forma la boca, por eso se clasifican en la rama denominada deuterostomas (deuterostomados o deuteróstomos), que significa 145
Figura Fig ura 3.49 3 49
El cuerpo del saltamontes consta de cabeza, tórax y abdomen, dispone de tres pares de patas y un par de antenas; puede tener uno o dos pares de alas; su boca está adaptada para masticar o succionar los alimentos.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA “boca secundaria”. En cambio, otros invertebrados como moluscos, anélidos y artrópodos en la primera abertura se forma la boca, y por eso se clasifican en la rama de los protostomas “boca primaria”. Otras características que comparten los deuterostomas son: • Las primeras divisiones celulares del embrión llamada segmentación o fragmentación es radial y no espiral como los protostomas. • El mesodermo en los deuterostomas se desarrolla por evaginación del intestino embrionario y de las evaginaciones del mesodermo se forman las cavidades que se convierten en celoma (fig. 3.51b). En cambio, en los protostomas el mesodermo se desarrollo entre el ectodermo y el endodermo y el celoma de la cavidad que forma el mesodermo (fig. 3.51a).
Figura 3.50
Estructura inerna de la estrella de mar.
Figura 3.51
Principales características del desarrollo embrionario de los celomados.
• La semejanza que existe entre los equinodermos y los cordados más que con otros animales en la etapa inicial del desarrollo embrionario hace suponer que descienden de un antepasado común. El Phylum echinodermata (del griego ekhinos = espina y derma = piel, piel espinosa) incluye a las estrellas, erizos y galletas de mar (fig. 3.50); son animales solamente del medio marino, viven especialmente en aguas profundas. Las principales clases de equinodermos son: la clase Crinoidea que agrupa a los lirios de mar y estrellas pluma; la clase Asteroidea, a la cual pertenecen las estrellas de mar; la clase Ophiuroidea, que incluye a las canastas de mar o estrellas canastas y estrellas serpenteantes; la clase Echinoidea, que incluye los erizos y galletas de mar (dólar de arena) y la clase Holothyroidea de los pepinos de mar. Por lo general los equinodermos en su edad adulta son de simetría radial; sin embargo, en su etapa larvaria son de simetría bilateral.
Características de la estrella de mar El cuerpo de la estrella de mar tiene la forma de un disco central, del cual salen los brazos, generalmente cinco (aunque hay algunas que tienen más). De manera similar que los demás equinodermos disponen de un esqueleto interno que se forma por pequeñas placas calcáreas con espinas que se proyectan hacia afuera. En la superficie inferior del centro del disco se encuentra la boca y arriba de ésta se localiza el estómago. El sistema hidrovascular o ambulacrales es una característica de los equinodermos que consiste en una red de tubos por donde circula el agua, cuyas ramificaciones conducen este líquido a los cente146
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA nares de pies ambulacrales localizados debajo de cada brazo y que el animal emplea en su locomoción y para abrir los moluscos bivalvos que logra capturar.
Aves
Placentarios Mamíferos
Reptiles
Su sistema nervioso es sencillo, se forma de un anillo nervioso que rodea la boca, de donde salen los nervios que se extienden hacia cada brazo. Este invertebrado no tiene cabeza ni cerebro. Por lo general, son de sexo separado, de reproducción sexual y fecundación externa, aunque también algunas especies producen nuevos individuos asexualmente por regeneración de los brazos que se llegan a desprender.
Anfibios
Monotremas
Peces óseos Peces cartilaginosos
Placodermos (peces con mandíbulas)
Phylum Chordata. Los cordados presentan, por lo menos en una fase de su vida, las siguientes características:
Ostracodermos (agnetos: peces sin mandíbulas)
• La notocorda, que es una barra que se extiende a lo largo del dorso del animal, es firme y flexible, la cual funciona como soporte corporal. • Por encima de la notocorda en la superficie dorsal recorre un tubo nervioso llamado cordón nervioso dorsal, que es hueco.
Cefalocordados Urocordados
Cordados ancestrales
• Otra característica es la faringe con hendiduras branquiales, que son una serie de arcos y surcos branquiales (en los peces se encuentran muy desarrollados y se utilizan en la respiración). Aunque los vertebrados terrestres tienen respiración pulmonar, durante su desarrollo embrionario presentan brevemente las hendiduras branquiales —el embrión humano desarrolla sacos branquiales pares en la región del cuello—, lo que hace suponer que en los primeros cordados estas estructuras servían para filtrar el agua que hacían pasar por la boca y al circular por las hendiduras branquiales el moco secretado por las células de la faringe atrapaban las partículas de alimento que eran transportadas al intestino del animal. • No hay testimonios fósiles de los ancestros de los cordados, seguramente fueron animales pequeños de cuerpo blando; sin embargo, entre los fósiles de la fauna de Burgess Shale de las montañas rocosas de Columbia Británica, Canadá, se encontró el fósil de un pequeño animal nadador en forma de lanceta llamado Pikaia, el cual corresponde al periodo Cámbrico Medio con más de 500 millones de años y al que se le puede apreciar la notocorda. • El phylum de los cordados se divide en tres subphylum: Urochordata. También llamados tunicados. Son animales marinos sésiles con forma de barril. En la edad adulta se cubren con una gruesa túnica. Son animales que al filtrar el agua que pasa por su faringe aprovechan el placton que contiene. Cefalochordata. En este subphylum se incluyen los anfioxos, pequeño animal traslúcido y de apariencia de pez, aunque puede nadar, normalmente se le localiza bajo la arena, cerca de la playa, también filtra del agua partículas de alimento. Vertebrata. Los vertebrados poseen columna vertebral que forma el eje esquelético de su cuerpo, la cual se desarrolla alrededor de la notocorda para reforzarla o reemplazarla. Las vértebras —que son los segmentos que forman la columna vertebral— rodean el cordón nervioso, en tanto que el encéfalo se encuentra protegido por el cráneo. El corazón es el
147
Marsupiales
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA órgano que impulsa la sangre y como medios de locomoción dispone de dos pares de extremidades en forma de patas, aletas o alas. En el subphylum de los vertebrados se incluyen las siguientes clases:
Figura 3.52
Clase agnata. Lamprea de mar.
Figura Fig igura ra 3 3.53 53
El tiburón es un ejemplo de condrictios.
Agnata (peces sin mandíbula) (fig. 3.52). De acuerdo con el registro fósil, los primeros vertebrados que aparecieron fueron los ostracodermos, peces sin mandíbula (agnatos), en el periodo Ordovícico de la era Paleozoica (hace más o menos 450 a 500 millones de años), aunque abundaron más y se diversificaron en el Silúrico. Los ostracodermos se extinguieron a finales del Devónico, los descendientes que sobreviven de los agnatos o ciclostomas (“de boca redonda”) como también se les llama, se representan por los mixines y las lampreas, animales en forma de anguila que llegan a medir hasta un metro de longitud. A diferencia de los extintos ostracodermos que tenían esqueleto óseo y el cuerpo cubierto por una armadura de placas óseas, los actuales ciclostomas tienen su cuerpo sostenido por un esqueleto cartilaginoso y su piel carece de escama. Las lampreas tienen alrededor de la boca un disco en forma de ventosa, donde están contenidos los dientes (de allí el nombre de ciclostomas), que los adultos de algunas especies emplean para fijarse a otros peces y así perforarle la piel y extraerle los tejidos de su cuerpo. Placodermos (peces con mandíbulas). A principios del Devónico aparecieron los peces con mandíbulas, aletas pares y con armadura ósea llamados placodermos. El desarrollo de las mandíbulas a partir de una parte de los arcos branquiales y la formación de las aletas representó un importante avance en la evolución de los peces, ya que propiciaron el cambio en su nutrición de filtradores de partículas orgánicas a depredadores. La mayor parte de estos primeros peces mandibulados se extinguió. Sin embargo, de algunas de sus especies descienden las dos clases de peces modernos: los cartilaginosos (Chondrichtyes) y los óseos (Osteichthyes).
Chondrichtyes (peces que tienen esqueleto cartilaginoso, dos mandíbulas y dos pares de aletas). Aparecieron en el periodo Devónico. La mayor parte son animales marinos y depredadores de otros peces y de algunos invertebrados marinos como crustáceos y moluscos. Son ejemplo de condrictios los tiburones y las rayas (fig. 3.53). Osteichthyes (peces óseos). Al igual que los cartilaginosos, también aparecieron en el Devónico, aunque hay indicios de una mayor parte de su evolución en agua dulce, la gran diversidad de sus descendientes hoy habita en los medios de agua dulce como en el ambiente marino. Durante su evolución, los peces óseos en agua dulce desarrollaron bolsas externas en la faringe, que a manera de rudimentarios pulmones, tal vez empleaban como estructura suplementaria de la respiración además de las branquias, especialmente cuando en su hábitat escaseaba el agua y descendía su concentración de oxígeno. De esos ancestros de los peces óseos descendieron dos líneas: una que dio origen a los peces de aletas con radio, de los cuales evolucionaron los peces actuales y cuyo pulmón se transformó en vejiga natatoria, que es un órgano hidrostático que los peces emplean para nadar a diferentes profundidades, además de almacenar oxígeno. La otra línea dio origen a los peces de aletas lobuladas carnosas, que conservaron su pulmón, el cual les reportaba la ventaja de sobrevivir en periodos de sequía; de esta línea derivaron los Crosopterigios, los cuales se consideran los ancestros de los vertebrados terrestres.
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Las extremidades óseas que les permitió sostener su peso y desplazarse en tierra, aunada con la adaptación para la respiración aérea, propició que estos animales pisciformes fueran los primeros vertebrados terrestres. Amphibia (anfibios). Los Laberintodontos, animales semejantes a las actuales salamandras que aparecieron en el Devónico, fueron los primeros vertebrados terrestres, ancestros de la clase Amphibia; los cuales aún conservaban rasgos de los peces de aletas lobuladas que fueron sus ancestros. Las extremidades óseas que desarrollaron para sostener el peso de su cuerpo en la tierra ya tenían los cinco dedos, característica presente en los vertebrados. Las larvas de las ranas y los sapos son los renacuajos (fig. 3.54), los cuales presentan branquias y cola, en su transición a la etapa adulta por metamorfosis, pierden sus branquias y su cola y desarrollan los pulmones.
Figura Fig igura ura 3.54 3 54
Los renacuajos viven permanentemente en el agua hasta obtener su madurez.
Los anfibios intercambian gases en la respiración no sólo en los pulmones, sino también a través de su piel húmeda muy vascularizada y carente de escamas. Los actuales anfibios se clasifican en tres órdenes: • Urodela, con cola larga, por ejemplo la salamandra (fig. 3.55), el ajolote y los tritones. • Anura, sin cola, como las ranas y los sapos. • Ápoda, incluye a las cecilias, anfibios sin piernas parecidos a gusanos. Reptilia (reptiles). Los reptiles aparecieron en el periodo Carbonífero de la era Paleozoica, hace unos 300 millones de años, aunque el incremento en su variedad se inicia a finales del Pérmico de la misma era. En la siguiente era, la Mesozoica, los reptiles se convirtieron en vertebrados terrestres dominantes, al grado que a dicha era también se conoce como la Edad de los Reptiles. Los reptiles que evolucionaron a partir de anfibios ancestrales, fueron realmente los primeros vertebrados terrestres, la clave del éxito de su adaptación definitiva a la vida en la tierra fue la evolución del huevo amniótico (fig. 3.56). El amnios es una de las membranas extraembrionarias de los vertebrados terrestres; el saco que forma contiene un líquido que mantiene húmedo y protege al embrión durante su desarrollo dentro del huevo, por lo que evita que dependa de un medio externo acuático como los anfibios. Además, el amnios amortigua los impactos que pudiera sufrir el huevo.
Figura Fig igura ura 3.55 3 55
La rana y la salamandra son ejemplos de anfibios.
Entre la serie de adaptaciones que desarrollaron los reptiles y que les facilitó una vida terrestre se encuentran: la fecundación interna, por el cual el macho libera los espermatozoides dentro del aparato reproductor de la hembra, y que implicó la formación de otras adaptaciones —como órganos copulares y aparatos reproductores, además del huevo amniótico protegido por cáscara donde se desarrolla el embrión. Las principales características de los reptiles son: • El cuerpo cubierto de escamas córneas o placas. • Las especies con extremidades, éstas tienen dedos con garras córneas. • La mayoría de los reptiles tienen un corazón de tres cámaras, dos aurículas y un ventrículo como los anfibios, pero más eficiente que en éstos. Figura Fig igura ura 3.56 3 56
• Pulmones muy desarrollados. • Son ectotermos, es decir, su temperatura corporal depende de la temperatura de su entorno. 149
En los reptiles el huevo amniótico está rodeado de una membrana que protege al embrión.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Los reptiles, así como los artrópodos terrestres y las aves, desarrollaron la adaptación de eliminar los desechos nitrogenados en forma de ácido úrico, en vez de amoniaco, como lo hacen los animales acuáticos. Esto les representa una ventaja como animal terrestre, ya que el ácido Figura Fig i ura ra 3 3.57 57
El Archaeopteryx es el ave fósil más antigua.
Evaluación formativa 1. En equipo realicen el trabajo de investigación siguiente: a) Características de los cordados. b) Los Subphylum en qué se dividen y sus características fundamentales. c) Las clases del Subphylum vertebrata y sus principales características; recalcar su importancia evolutiva. d) Elabora un álbum con las imágenes de los grupos de vertebrados que aparecieron y se diversificaron en las distintas etapas geológicas. 2. Una vez concluido el trabajo de investigación, ilustrarlo con dibujos, recortes de periódicos o revistas y en secciones. Elaboren con el material un periódico mural y organicen un medio de difusión (plenaria, pláticas informativas, boletines, tríptico, etc.) para exponerlo a la comunidad estudiantil de tu escuela.
úrico resulta menos tóxico, se puede eliminar como cristales con escasa cantidad de agua; en cambio, el amoniaco es más tóxico y para su eliminación requiere mayor cantidad de ese líquido, situación que no es problemática para los animales acuáticos.
Los grupos modernos de reptiles son: las tortugas, los lagartos, las serpientes, las iguanas, los cocodrilos y los caimanes. Los dinosaurios, que fueron los reptiles que dominaron la Tierra cerca de 200 millones de años, se extinguieron hace 65 millones de años; las causas de su desaparición aún son una incógnita, aunque hay distintas hipótesis que tratan de explicar el caso; la más divulgada es la que explica que pudo haber sido por cambios ambientales a causa del impacto de un meteorito entre finales del Cretácico de la era Mesozoica y principios del Terciario de la era Cenozoica, en una localidad llamada Chicxulub del estado de Yucatán en México. Aves. Las aves se asemejan mucho a los reptiles, probablemente evolucionaron de los dinosaurios. Aparecieron durante el periodo Jurásico de la era Mesozoica, cuando precisamente dominaban estos grandes reptiles. El Archaeopteryx (fig. 3.57) es el ave fósil más antigua, vivió hace aproximadamente 150 millones de años, era del tamaño de una paloma, tenía plumas como las aves, pero dientes y cola larga como los reptiles. Las aves están adaptadas al vuelo, su cuerpo está cubierto de pluma (posiblemente sean escamas modificadas), tienen huesos ligeros y porosos, los miembros anteriores se encuentran especializados en alas, que muchas de ellas emplean para volar. Tienen un sistema respiratorio muy eficiente que les sirve para cubrir la demanda energética que requieren para el vuelo. Las aves así como los mamíferos tienen el corazón dividido en cuatro cámaras y son endodermos; es decir, tienen la capacidad de mantener una temperatura corporal constante que obtiene de su energía metabólica. Mammalia (mamíferos). Son características de los mamíferos: • El cuerpo cubierto de pelo. • Poseen glándulas mamarias que las hembras utilizan para alimentar con leche a sus crías. • Tienen dientes diferenciados en incisivos, caninos, premolares y molares. • Disponen de un diafragma que hace más eficiente la respiración pulmonar. • Tienen el corazón dividido en cuatro cámaras. • Son endotermos como las aves.
Figura 3 Fi 3.58 58
Una madre humana que amamanta a su recién nacido.
De acuerdo con el registro fósil, los mamíferos aparecieron en el periodo Triásico de la era Mesozoica, hace aproximadamente 225 millones de años, evolucionaron a partir de los Terápsidos, un grupo de reptiles que dominó la Tierra cerca 150
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA de 50 millones de años y que más tarde fueron desplazados por los dinosaurios. Los terápsidos tenían aspecto de mamífero, un cráneo donde cabía un cerebro más grande que de otros reptiles; fueron carnívoros con dientes diferenciados en incisivos, caninos y molares como los mamíferos. Los primeros mamíferos eran muy pequeños, se parecían a las actuales musarañas y zarigüeyas; vivían alimentándose especialmente de insectos se cree que tenían una vida nocturna para evitar a los dinosaurios, pues era la plena etapa del dominio de estos reptiles. Después de la desaparición de los dinosaurios, hace 65 millones de años, los mamíferos se diversificaron más, y se adaptaron a los hábitats dejado por los reptiles. Las tres subclases de mamíferos modernos son: monotremas, marsupiales y placentarios. De los monotremas sólo se conocen el ornitorrinco (Ornithorhynchus anatinus) y el equidna. Habitan en la región australiana. La hembra después de poner sus huevos los incuba y cuando la cría eclosiona, la madre la alimenta con la leche de sus glándulas mamarias. Los marsupiales como el canguro y el koala (Phoscolsrctod cinereus) (fig. 3.59) viven en la región de Australia principalmente; y la zarigüeya está ampliamente distribuida en México, se le conoce como tlacuache (Didelphys Virginiana) y es el único marsupial en el país. En este caso, el embrión inicia su desarrollo dentro del útero de la madre, pero nace en una etapa muy inmadura; por lo que el desarrollo finaliza en el marsupio, que es una bolsa protectora que la hembra tiene en el abdomen, donde la cría permanece nutrida por la secreción láctea de la madre hasta alcanzar la etapa que le permite valerse por sí misma. Los placentarios son los mamíferos más conocidos. En esta subclase, la hembra desarrolla una placenta a través de la cual el embrión recibe nutrientes y oxígeno y elimina desechos durante su desarrollo, a diferencia de la placenta de los marsupiales que no crece lo suficiente para un desarrollo completo del embrión. La placenta es una estructura que se forma de las membranas extraembrionarias y la pared uterina, la cual permite el intercambio de sustancias entre el embrión y la madre.
Figura Fig igura ura 3.59 3 59
El fino olfato del koala le permite distinguir entre las hojas comestibles y las venenosas.
Cuadro 3.3
Principales órdenes de mamíferos placentarios.
Orden
Principales características
Ejemplos
Insectívoros
Probablemente sean los placentarios más primitivos
Quirópteros
Adaptados al vuelo. Sus alas están formadas por membranas dérmicas que unen los dedos muy alargados con el cuerpo y los miembros posteriores. La orientación por eco la realizan al emitir ondas sonoras de alta frecuencia que rebota de los obstáculos, lo que les permite volar en la oscuridad y ubicar a sus presas, particularmente insectos.
Murciélagos
Carnívoros
Tienen muy desarrollado el sentido del olfato, sus extremidades adaptadas para correr y provistas de garras, sus caninos muy grandes. La mayoría se alimenta con la carne de sus presas.
Gatos, perros, osos, leones marinos
Desdentados
Son mamíferos que no tienen los dientes incisivos, los caninos y en algunos casos toda la dentición. En las especies con piezas dentarias, éstas resultan rudimentarias y carentes de esmalte. Se alimentan de insectos y de otros invertebrados. Disponen de extremidades con garras.
Perezosos, osos hormigueros y armadillos
Tienen incisivos fuertes y largos y debido a su desgaste su crecimiento es continuo.
Ratas, ardillas, castores y puerco espines
Roedores
Musarañas, topos
151
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Orden
Principales características
Ejemplos
Lagomorfos
También tienen incisivos largos, cola pequeña, por lo general orejas largas y patas posteriores más largas que las anteriores.
Conejos, liebres
Primates
Cavidad craneana más ensanchada que aloja un encéfalo más grande, características en relación con un mayor desarrollo del sistema nervioso central. Los pulgares oponibles a los demás dedos y poseen uñas en vez de garras.
Lémures, monos, simios, ser humano
Perisodáctilos
Son herbívoros, con extremidades largas adaptadas para correr, tienen un número impar de dedos cubiertos por cascos o pezuñas (por ello se llaman ungulados)
Tapires, rinocerontes, caballos, cebra
Artiodáctilos
Son ungulados (provistos de cascos o pezuñas), con un número par de dedos funcionales, la mayoría con dos en cada pata. El suborden de los rumiantes que es el más extenso, comúnmente poseen estómago complejo con cuatro compartimientos que les permiten digerir mejor la celulosa de la pastura que comen.
Cerdos, hipopótamos, camellos, jirafas, renos, venados, antílopes, bovinos
Proboscideos
Son los mamíferos terrestres más corpulentos, con cabeza grande, orejas anchas y planas, piel gruesa (paquidermos), la nariz y la parte del labio superior forman una trompa (probóscide), un par de incisivos superiores que crecen en forma de colmillo.
Elefantes
Sirénidos
Son mamíferos acuáticos herbívoros, con miembros anteriores en forma de aleta y carecen de los miembros posteriores.
Manatíes, vacas marinas
Cetáceos
Son mamíferos acuáticos, de cuerpo pisciforme, con extremidades anteriores en forma de aleta y sin extremidades posteriores ni cintura pélvica. La piel es gruesa y debajo de ésta se acumula gran cantidad de grasa.
Ballenas, delfines, cachalotes
Pinnípedos
Son mamíferos acuáticos con extremidades en forma de aleta. Tienen cola corta, se alimentan de peces, crustáceos y moluscos, con frecuencia, forman colonias numerosas.
Focas, morsas, leones marinos
LA ZONA DEL MAR DE CORTÉS, POR SU ALTO VALOR BIOLÓGICO, EN 2005 FUE DECLARADA POR LA UNESCO PATRIMONIO DE LA HUMANIDAD El Mar de Cortés, también llamado Golfo de California o Mar Bermejo, es una extensión del Pacífico Noroeste mexicano. Incluye 244 islas e islotes y las costas de la península de Baja California, Sonora, Sinaloa y Nayarit. Alberga una gran diversidad de flora y fauna. Se tiene el registro de 695 especies de plantas vasculares, entre las cuales hay una gran variedad de cactáceas. Es significa-
tiva también su alta producción de invertebrados marinos, peces, aves y sobre todo, es el hábitat de 40% de las especies de mamíferos marinos del mundo. Por su elevada riqueza biológica, esta zona es conocida como el laboratorio natural para la investigación de las especies; el oceanógrafo francés Jacques-Yves Cousteau la llamó el acuario del mundo.
8. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS PRINCIPALES GRUPOS DE ANIMALES En este tema se analizan los procesos fisiológicos básicos de los diferentes grupos de animales por medio de modelos de distintos grados de complejidad orgánica, haciendo énfasis en el proceso evolutivo que ha generado la diversidad biológica.
Nutrición Los animales, así como los demás organismos, requieren un permanente suministro de materia, de donde obtienen la energía necesaria para realizar todas sus funciones vitales y de esta manera conservar la vida, crecer y reproducirse. 152
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Los animales son organismos heterótrofos, no pueden producir sus nutrientes, los obtienen de las moléculas orgánicas de otros organismos. Cada grupo de animales adquirió a través de su proceso evolutivo, una serie de adaptaciones que le permiten tener una manera específica de obtener sus nutrientes, así los herbívoros los extraen de los vegetales que comen (fig. 3.60); los rumiantes desarrollaron un estómago dividido en cuatro cámaras (fig. 3.61), en dos de las cuales viven ciertas bacterias con las que mantienen una relación simbiótica, éstas degradan la celulosa de la pared celular vegetal en unidades de azúcar que son aprovechadas en la nutrición del herbívoro y de las propias bacterias simbiontes. Los carnívoros obtienen sus nutrientes de la carne de sus presas (fig. 3.62), para ello desarrollaron diversas características, como dientes afilados y cortantes, miembros provistos de garras y eficientes estrategias en la captura de la presa. Los insectívoros son un subgrupo de carnívoros que obtienen sus nutrientes de los insectos. Los omnívoros se nutren de alimento vegetal y animal.
Figura Fig igura ra 3.60 3 60
Ingestión, digestión, absorción y egestión o eliminación
La dieta del hipopótamo es predominantemente de vegetales.
La mayoría de los animales dispone de un aparato digestivo que se encarga de transformar el alimento en un material aprovechable para su nutrición. Ingestión. Consiste en introducir mecánicamente el alimento a la cavidad del tubo digestivo. Cada grupo de animal tiene su propia forma de ingerir los alimentos. Digestión. Es la degradación de las partículas del alimento para que las aprovechen las células del animal. Debido a que éstos se alimentan de compuestos formados por macromoléculas (de origen vegetal o animal), para que puedan aprovecharse se requiere su transformación en pequeñas partículas y sustancias y así transportarse a través de la membrana de las células del tubo digestivo. La digestión consta de procesos físicos y químicos: • Proceso físico o mecánico. Consiste en la trituración del material nutritivo hasta convertirlo en partículas diminutas. • Proceso químico. Las transformaciones químicas se realizan por acción de las enzimas secretadas por las células del tubo digestivo, que degradan las moléculas complejas en sustancias sencillas de fácil absorción.
Figura Fig igura ura 3 3.61 61
Los rumiantes digieren los alimentos en dos etapas, primero los consumen y luego los vuelven a masticar.
Absorción. Los nutrientes ya modificados pasan por absorción a través de la membrana de las células que revisten el tubo digestivo y llegan al torrente sanguíneo que los transporta a todas las células. Egestión o eliminación. El material que no se aprovecha, es decir, aquel que no pudo digerirse ni absorberse, es expulsado del tubo digestivo.
Digestión en invertebrados DIGESTIÓN EXTRACELULAR-INTRACELULAR La hidra (Phylum cnidaria o coelenterata; fig. 3.63). Dispone de una cavidad gastrovascular con una sola abertura que funciona como boca y ano. Valiéndose de sus tentáculos atrapa pequeños crustáceos que introduce a su cavidad digestiva, cubierta de células glandulares secretoras de enzimas, las cuales degradan el alimento en sustancias digeribles. Este proceso se denomina digestión extracelular. Las partículas de alimento que no llegan a desintegrarse son incorporadas al interior de otras células formando 153
Figura Fig igura ra 3 3.62 62
El oso polar es uno de los depredadores marinos más fuertes.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA con este material vacuolas digestivas, por lo que en la hidra se presentan tanto la digestión extracelular como la intracelular. La parte que no se aprovecha del alimento se expulsa al exterior por el único orificio de la cavidad gastrovascular. La planaria (Phylum platyhelminthes). El aparato digestivo de la planaria es una cavidad ramificada con una sola abertura que se localiza en la región ventral. En esta cavidad se distinguen: boca, faringe e intestino. Se alimenta de pequeños crustáceos, larvas de insectos y partículas de material orgánico que captura con la faringe, la cual puede proyectarse fuera de la boca e introducir el alimento en el intestino. Las enzimas secretadas por la faringe inician la degradación de los tejidos de la presa, que concluye en el intestino, donde las células que lo recubren al final del proceso, se encargan de absorber las sustancias nutritivas. Otras partículas penetran en forma directa a las células de la pared intestinal por fagocitosis. Por tanto, la planaria posee digestión extracelular e intracelular simultáneamente. Los residuos del alimento se eliminan a través del mismo orificio que le sirve de boca.
Figura 3.63
Aparato digestivo de la hidra y la planaria.
DIGESTIÓN EXTRACELULAR La lombriz de tierra (Phylum annelida; figura 3.64). Su aparato digestivo inicia en la boca y termina en el ano. Se alimenta de partículas de hojas y otros materiales orgánicos en proceso de descomposición, mezclados en el suelo húmedo. El buche es una cavidad del tracto digestivo donde se almacena el alimento temporalmente. De allí el alimento pasa a la molleja, donde es triturado. La suspensión resultante se transporta al intestino, donde se degrada por la acción enzimática de las células que tapizan la pared interna del intestino, para su posterior absorción (digestión extracelular). El material no aprovechable se elimina por el ano.
Figura 3 3.64 64
Aparato digestivo de la lombriz de tierra.
El saltamontes (Phylum arthropoda; figura 3.65). Se alimenta de hojas que tritura con sus partes bucales masticadoras. Su aparato digestivo posee glándulas salivales y digestivas. La saliva se mezcla con el alimento, lo que facilita su paso al esófago y al buche, donde se almacena antes de pasar a la molleja, en la cual se tritura en partículas más pequeñas. Los ciegos gástricos
Figura Fig i ura 3 3.65 65
Aparato digestivo del saltamontes. 154
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA secretan enzimas digestivas en el ventrículo del intestino medio, en el que se realiza la digestión extracelular y la absorción de los nutrientes. El material no aprovechable sale por el ano. Las enzimas del aparato digestivo del saltamontes no degradan la celulosa de la pared celular del vegetal que ingieren, sino que dicha función se realiza a través de los microorganismos simbiontes que viven en el tracto digestivo de este animal.
DIGESTIÓN EN VERTEBRADOS Peces. Por lo general, los peces se alimentan de peces pequeños, crustáceos, moluscos y otros invertebrados, aunque también hay especies que se alimentan de fitoplancton. Sus dientes no los emplean en la masticación, sino para sostener el alimento; su lengua se encuentra poco desarrollada, adherida a la parte basal de la cavidad bucal. Después de la boca se encuentra la faringe que tiene a cada lado cuatro hendiduras branquiales, un corto esófago conduce el alimento al estómago de donde continúa al intestino, cuya función es la absorción de nutrientes, para terminar en el ano. Sus glándulas digestivas anexas son el hígado y el páncreas, cuyas secreciones contribuyen a la digestión del alimento. Anfibios. Especialmente, la rana se alimenta de insectos y gusanos que captura con una lengua protráctil (que puede extenderse hacia delante) para después introducirlos en la boca con la misma lengua. Tiene unos dientes muy pequeños que no se utilizan para masticar sino para sujetar a la presa. De la boca el alimento pasa a la faringe, después al esófago para entrar en el estómago, donde comienza la digestión. Sus dos grandes glándulas digestivas son el hígado y el páncreas, el primero produce la bilis, que una vez almacenado en la vesícula biliar entra al intestino delgado por el conducto biliar para emulsionar las grasas y el páncreas produce varias enzimas digestivas que se vierten al conducto biliar. Del estómago el alimento pasa al intestino delgado donde ocurre la mayor parte de la digestión y la absorción. Los residuos no digeridos pasan al intestino grueso y finalmente a la cloaca, donde son expulsados al exterior por el orificio cloacal. También, los conductos urinarios y reproductores se abren en la cloaca. Reptiles. El aparato digestivo de los reptiles es estructuralmente muy semejante al de los anfibios; también se compone de boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso, cloaca y orificio cloacal. También los procesos digestivos y de absorción de sustancias asimilables tienen mucha similitud. Sin embargo, tienen hábitos alimenticios diversos, lo que depende de su especie, para los cuales desarrollaron adaptaciones específicas. Por ejemplo, las serpientes tienen dientes largos, delgados y cónicos especializados para inocular su veneno a la presa; en cambio, las tortugas en vez de dientes poseen un pico córneo cortante de origen epidérmico. Son herbívoros y carnívoros; se alimentan de frutos, hierbas, hojas y de algunas especies de invertebrados. Las lagartijas que se alimentan de insectos, gusanos y otros invertebrados, desarrollaron gran habilidad para atrapar a la presa con su lengua protráctil e introducirla en la boca, sus dientes no son para masticar, sino sólo para sujetar a la presa. Aves. Se alimentan de insectos, lombrices y de gran variedad de granos. No tienen dientes, en cambio la boca está provista de pico. El alimento pasa de la cavidad bucal a la faringe, luego al esófago que presenta en su trayectoria una dilatación que es el buche, donde se almacena y humedece el alimento. El estómago tiene un proventrículo anterior, cuyas paredes secretan los jugos gástricos que contribuyen al inicio de la digestión química y un ventrículo o molleja que machaca el alimento con la arena y grava que el animal ingiere. Especialmente la digestión física se lleva a cabo en la molleja. La digestión química se inicia en la primera división del estómago termina en el intestino donde el hígado y el páncreas vierten sus secreciones; también ocurre la absorción de las sustancias asimilables. De aquí el material que no se digiere pasa a la cloaca, que es una cavidad de salida de los sistemas digestivo, urinario y reproductor (fig. 3.66)
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Mamíferos. Una característica común en los mamíferos es la presencia de dientes diferenciados en incisivos, caninos, premolares y molares, los cuales desarrollan una estructura especial que varía conforme el régimen alimenticio. Por ejemplo, los caninos e incisivos de los carnívoros están adaptados para desgarrar y cortar la carne; en cambio, en los roedores, los incisivos son los especializados para roer el alimento. En la base de la boca se sostiene la lengua, órgano musculoso flexible. La saliva que secretan las glándulas salivales, además de humedecer el alimento para su fácil deglución y las enzimas que contiene, inician la degradación química del alimento. La faringe es la continuación de la boca, le sigue el esófago que conduce el alimento al estómago, cuyas glándulas producen las enzimas que realizan la digestión gástrica. La mayor parte de la digestión química con la participación de la bilis y las enzimas del jugo pancreático, que producen el hígado y el páncreas respectivamente se realiza en el intestino delgado. Las vellosidades que cubren la pared interna del intestino delgado aumentan la superficie de absorción de nutrientes que ocurre en este órgano también. La continuación es el intestino grueso que termina en el recto, el cual se abre al exterior por el ano, por donde se expulsan los desechos de la digestión.
Respiración
Figura 3.66
Aparato digestivo de un ave.
Saco aéreo
Espiráculo
Tráquea
Comúnmente entendemos como respiración el intercambio de gases (también se conoce como respiración externa) entre el organismo y su medio; es decir, el aprovechamiento del oxígeno contenido en el aire o el agua donde ese organismo vive y la liberación del bióxido de carbono de su cuerpo. Sin embargo, el término respiración puede interpretarse de dos maneras; una como las reacciones químicas que requieren oxígeno y que ocurren en las mitocondrias de las células eucarióticas, por las cuales se oxidan las moléculas orgánicas gradualmente, lo que da como resultado la liberación de la energía que la propia célula requiere y la producción de bióxido de carbono y agua que se desechan. Este tipo de respiración es celular aerobia, ya que requiere oxígeno. La otra interpretación del término respiración se refiere al intercambio gaseoso por difusión por medio de una superficie húmeda. En este proceso se requiere una entrada continua de oxígeno, así como una salida de bióxido de carbono. Para tal propósito es necesario una renovación sin interrupción del aire o del agua de donde se toma el oxígeno y se incorpora el bióxido de carbono que se desecha. A este proceso de movilizar el aire o agua que los animales realizan sobre sus superficies de intercambio gaseoso se llama ventilación.
RESPIRACIÓN EN INVERTEBRADOS Soporte de quitina Fibrillas musculares
Figura 3.67
Sistema traqueal del saltamontes.
La hidra y la planaria carecen de aparato respiratorio. Sus células obtienen el oxígeno disuelto en el agua y liberan el bióxido de carbono; este intercambio gaseoso se realiza por difusión. El oxígeno se difunde del agua al interior de las células a través de la membrana celular, y de manera similar se desecha el bióxido de carbono. El intercambio de gases por difusión sólo es posible a través de membranas celulares húmedas, tanto en los animales acuáticos como en los terrestres.
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
Opérculo Soporte óseo
Vasos sanguíneos
Filamentos branquiales
Capilares
Vasos sanguíneos
Filamentos branquiales
Figura 3.68
Sistema branquial del pez.
La lombriz de tierra tiene respiración cutánea. Es decir, a través de su piel húmeda se realiza el intercambio gaseoso por difusión. El oxígeno del aire se difunde por medio de las células de la piel y llega a los vasos capilares sanguíneos, aquí se mezcla con la hemoglobina de la sangre que lo transporta a todas las células y recoge el bióxido de carbono, que también se desecha a través de la piel. Los saltamontes respiran por tráqueas (fig. 3.67). Éstas son tubos que se ramifican a lo largo de su cuerpo. Éstos presentan ensanchamientos que forman muchos sacos aéreos. El sistema traqueal consta de diez pares de orificios externos a los lados del cuerpo, que se llaman estigmas o espiráculos. Por contracción muscular, los estigmas se abren o se cierran. Durante la inspiración (entrada del aire a las tráqueas) se abren los cuatro pares anteriores, mientras que en la espiración (salida del aire de las tráqueas) se abren los seis pares posteriores. Los extremos terminales internos de las tráqueas contienen un fluido en el que se disuelve el oxígeno que llega a las células por difusión. El bióxido de carbono tiene un trayecto inverso, sale de las células por difusión y se transporta a través del sistema traqueal y se incorpora en el medio externo por los estigmas o espiráculos.
RESPIRACIÓN EN VERTEBRADOS Los peces tienen respiración branquial (fig. 3.68). Su respiración se lleva a cabo por cuatro pares de branquias, que se localizan a los lados de la cabeza, y se sostienen por los arcos branquiales. Cada branquia consta de una hilera doble de filamentos branquiales. Las branquias están protegidas por una cubierta que se llama opérculo. En el interior de estos filamentos hay vasos sanguíneos, aquí se realiza el intercambio gaseoso por difusión. La sangre que transporta el bióxido de carbono para su expulsión por los filamentos branquiales procede del corazón y llega a los arcos branquiales por la arteria branquial aferente. La sangre que recoge el oxígeno de los filamentos branquiales regresa al arco branquial y fluye por la parte superior de las branquias, por la arteria branquial eferente, para después transportarse por la aorta dorsal a los tejidos del pez. Los anfibios. Son los animales que disponen de mayores medios para respirar. Sin embargo, su principal forma de respirar es la pulmonar. El aire que entra por las fosas nasales penetra en la boca, enseguida pasa por la laringe a los bronquios para llegar a los pulmones, los cuales se encuentran divididos en diminutas cámaras muy vascularizadas que se llaman alvéolos, donde se lleva a cabo el intercambio de gases (se incorpora el oxígeno a la sangre y se libera el bióxido de carbono). Durante su etapa larvaria; las ranas respiran por branquias, que en las salamandras acuáticas este tipo de respiración se conserva hasta la edad adulta. En tal proceso, el agua llega a la boca por las aberturas nasales, de la boca el líquido se impulsa hacia fuera por las hendiduras branquiales, al pasar por los filamentos branquiales ocurre el intercambio gaseoso. Pero también pueden tener respiración cutánea; es decir, a través de la piel que se encuentra muy vascularizada se hacen los cambios gaseosos que pueden ser dentro o fuera del agua. 157
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Tráquea Sacos de aire cervicales Sacos de aire interclaviculares Sacos de aire articulados
Sacos de aire torácicos Tráquea Pulmones Sacos de aire cervicales Sacos de aire abdominales
Figura 3.69
Sistema respiratorio de las aves.
Faringe
Sacos de aire interclaviculares
Sacos de aire abdominales
Sacos de aire torácicos
Cavidad nasal Laringe Tráquea Cavidad alveolar
Bronquiolos Bronquios Alvéolos Pulmón Figura 3.70
Bronquiolo
Sistema respiratorio de un mamífero.
Glóbulos rojos Capilar pulmonar
Los reptiles. Estos animales tienen respiración pulmonar. El aire que entra por las aberturas nasales sigue por la laringe para llegar a la tráquea, la cual se bifurca en dos bronquios que conducen el aire a cada pulmón hasta los alvéolos pulmonares, en cuyas membranas se realiza el intercambio gaseoso. Aunque los pulmones de los reptiles son muy simples, su grado de desarrollo es mayor que el de los pulmones de los anfibios. Las aves. Disponen de un sistema respiratorio muy eficiente que se compone de laringe seguida de la tráquea que en su descenso por el cuello llega a la siringe (órgano de emisión de sonido), donde la tráquea se bifurca en dos bronquios que llegan a cada pulmón (fig. 3.69). Éstos se encuentran conectados a unos sacos aéreos que al inflarse y desinflarse hacen que al aire fluya en una sola dirección en los pulmones, lo que permite su remoción continua durante ciclos de dos inhalaciones y dos exhalaciones cada uno. Además, los sacos aéreos también sirven para desechar el calor corporal debido al trabajo muscular. En la primera inhalación o inspiración se almacena el aire en los sacos aéreos posteriores. En la primera exhalación o espiración, ese aire se moviliza de los sacos posteriores 158
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA hacia los pulmones. En la segunda inhalación, el aire fluye de los pulmones a los sacos aéreos anteriores y por último en la segunda exhalación, el aire es expulsado del cuerpo. La ventaja de este flujo continuo y unidireccional del aire es que permite un intercambio gaseoso constante, el cual se lleva a cabo en las paredes de una serie de diminutos tubos de los pulmones que se llaman parabronquios. Los mamíferos. La respiración de los mamíferos es pulmonar (fig. 3.70). Los pulmones recubiertos por la pleura, se encuentran alojados en la cavidad torácica. En posición transversal se encuentra el diafragma, un músculo en forma de bóveda, que es el piso del tórax y que se contrae y se aplana durante la inspiración, lo que hace que se expanda la cavidad torácica. El aire penetra por las fosas nasales y fluye por la laringe (órgano que contiene las cuerdas vocales), pasa por la tráquea que se bifurca en dos bronquios, éstos se ramifican en el interior de cada pulmón para formar los bronquiolos que conducen el aire a los alveolos pulmonares, cuyas paredes contienen vasos capilares. En estos alveolos ocurre el intercambio gaseoso por difusión. El bióxido de carbono transportado por la sangre se expulsa al exterior, mientras que el oxígeno del aire entra y se combina con la hemoglobina para formar oxihemoglobina que se incorpora a la circulación sanguínea.
Excreción Se llama excreción el proceso mediante el cual el organismo elimina las sustancias de desecho que genera su actividad celular, innecesarias para su fisiología, como agua, bióxido de carbono y desechos nitrogenados. Con frecuencia se confunde este concepto con el de egestión o defecación, que consiste en la eliminación de las heces, que se forman de materia de desecho de la alimentación, mas no del proceso metabólico celular, ya que la materia fecal sólo transita a lo largo del tubo digestivo y nunca penetra dentro de las células del organismo. De manera continua, los organismos mantienen las condiciones de su medio interno; es lo que se entiende por homeostasis. La excreción se relaciona estrechamente con el equilibrio de la concentración de líquidos corporales. Las estructuras que en un principio se identificaron solamente en la función excretora. También tienen una importante acción en el equilibrio de agua y sales, de tal suerte que la concentración de diversas sustancias en el cuerpo es consecuencia de un equilibrio entre la cantidad que llega a las células y la que se elimina.
EXCRECIÓN EN INVERTEBRADOS La hidra. La pared corporal de la hidra consta de dos capas de células, una en contacto con el agua de su medio circundante y la otra con el agua de su cavidad gastrovascular, por lo que el bióxido de carbono y el amoniaco que son sus desechos, se difunden a través de sus células al agua de su medio externo o al agua contenida en su cavidad gastrovascular. La hidra no tiene estructuras especializadas de excreción. El agua tiende a incorporarse continuamente en las células del animal por ósmosis, ya que en ellas hay menor concentración de este líquido que en su medio externo. Esto hace probable que el proceso de eliminación del exceso de agua lo realice por transporte activo. La planaria. Posee un sistema excretor que consiste en una serie de tubos que se ramifican a lo largo del cuerpo, que se llama protonefridios. La terminación interna de esos tubos se asemeja a la flama de una vela, por ello se llama célula flamígera, la cual se constituye por un conjunto de cilios cuyos movimientos hacen circular el exceso de agua, el bióxido de carbono y el amoniaco del medio interno del cuerpo a los poros excretores que se localizan en la pared corporal, para eliminarse hacia el medio externo (fig. 3.71).
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Figura Fig ura 3.71 3 71
La planaria y una célula flama o flamígera.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Parte del tejido interno situado entre dos segmentos Abertura externa de un tubo excretor en el lado más cercano del cuerpo. (Tres tubos excretores del lado más cercano fueron cortados al quitar la pared del cuerpo del segmento abierto)
Tubo excretor (nefridio)
Sedas (satae) Abertura interna ciliada de un tubo excretor
Abertura externa de un tubo excretor en el lado opuesto del cuerpo
Figura 3.72
Los nefridios o túbulos excretores de la lombriz de tierra.
Figura 3.73
Sistema excretor del saltamontes o chapulín.
La lombriz de tierra. Dispone de un aparato circulatorio que se encarga de transportar el bióxido de carbono hasta la superficie del cuerpo del animal, donde se elimina al medio externo mediante difusión de las células superficiales. El amonio, la urea y otras sustancias de desecho se eliminan por los tubos excretores que reciben el nombre de nefridios, de los cuales la lombriz posee dos en cada segmento del cuerpo. Los nefridios comunican la cavidad del cuerpo de la lombriz con el medio externo y, mediante contracciones musculares, expulsan las sustancias de desecho a través de los poros excretores, que son aberturas externas de los nefridios (fig. 3.72).
El chapulín o saltamontes. Este animal elimina el bióxido de carbono por medio de sus conductos traqueales. El residuo nitrogenado que más elimina es el ácido úrico, en vez de amoniaco y urea como lo hacen la hidra y la planaria, lo que representa una ventaja adaptativa debido a su condición de animal terrestre, ya que el ácido úrico por ser más inofensivo para las células se elimina con escasa cantidad de agua, en cambio el amonio resulta más tóxico y para eliminarlo se requiere mayor cantidad de agua, situación que favorece a la hidra y a la planaria, que son animales acuáticos. El chapulín posee un sistema excretor que consta de túbulos que se llaman de Malpighi, comunican las cavidades sanguíneas con el tracto digestivo (fig. 3.73). De las cavidades sanguíneas extraen las sustancias de desecho y las conducen al tracto digestivo para expulsarse junto con el excremento por el ano.
EXCRECIÓN EN VERTEBRADOS Peces. Su sistema excretor se compone de dos riñones (con estructura filtradora de tipo mesonefro), los cuales se ubican en el dorso de la cavidad abdominal y la vejiga urinaria. Los desechos nitrogenados se recogen de la sangre por los riñones. Después, se transportan por los conductos urinarios o uréteres a la vejiga urinaria, para posteriormente expulsarse en el exterior a través del orificio urogenital. Anfibios. Los riñones de la rana (también de tipo mesonefro) se localizan en la cavidad abdominal en los lados de la columna vertebral. Los riñones retienen las sustancias de desecho que la sangre transporta y con ella elabora la orina, la cual se conduce por el conducto urinario o uréter de cada riñón a la cloaca. En las proximidades donde desembocan los uréteres o ureteros, la cloaca forma una invaginación que funciona como vejiga urinaria y donde después pasa la orina para posteriormente expulsar a través del orificio cloacal. Reptiles. Los riñones son de mayor grado de complejidad, sus estructuras filtradoras son de tipo metanefro, como las de las aves y los mamíferos. Tienen forma lobulada y se sitúan en los lados de la columna vertebral. Los uréteres conducen la orina a la cloaca. Solamente los cocodrilos y las tortugas poseen vejiga urinaria. La orina sale por el orificio cloacal. Aves. Tienen riñones que se dividen en tres lóbulos, los cuales se localizan en la pared dorsal del cuerpo. De cada riñón sale un uréter que conduce la orina a la cloaca. Carecen de vejiga urinaria. La orina es muy espesa con un contenido alto de ácido úrico, sale por la cloaca mezclada con los excrementos, a los cuales cubre en forma de una mancha blanca. 160
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Mamíferos. Los riñones tienen forma oval; se sitúan en la región lumbar, en ambos lados de la columna vertebral. En ellos se produce la orina por filtración de las sustancias de desecho que transporta la sangre (fig. 3.74). Dicha filtración se efectúa a través de las nefronas, que son las unidades estructurales y funcionales de los riñones. La orina elaborada por los riñones pasa por los ureteros a la vejiga urinaria donde se almacena hasta que en un determinado momento se contrae voluntariamente y expulsa la orina al exterior mediante la uretra.
Reproducción Una de las más importantes funciones del ser vivo es su capacidad de reproducción, que constituye la manera de dar origen a nuevos individuos, lo que permite la preservación de la especie a través del tiempo. Por medio de la reproducción se transmite de una generación a la siguiente la información que almacena y regula las moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico) de cada especie. Se distinguen dos formas de reproducción: asexual y sexual. La reproducción asexual se caracteriza porque no hay unión de gametos y porque la variedad de mecanismo que tiene se realiza a partir de un solo progenitor. En cambio, la reproducción sexual, se efectúa por la fusión de dos células especializadas llamadas gametos, las cuales se originan casi siempre por dos progenitores de diferente sexo. Las distintas formas de reproducción de los grupos representativos de animales se tratarán en este tema.
Figura 3.74
Sistema excretor del ser humano.
REPRODUCCIÓN EN INVERTEBRADOS La hidra. Se reproduce asexualmente por gemación en temporadas en que la temperatura del agua es favorable. Por medio de este proceso, sobre su pared corporal se forman pequeñas protuberancias que al crecer se desprenden y forman nuevas hidras. Regeneración. La hidra tiene la capacidad de generar la parte que llega a faltar; cuando se fragmenta en forma transversal en dos o tres trozos, cada uno de éstos puede crecer y convertirse en una hidra completa. La reproducción sexual suele ocurrir en otoño, que es cuando se le forman temporalmente las gónadas en los lados del cuerpo, que son sus únicos órganos reproductores. Los espermatozoides que produce un testículo se liberan en el agua y nadan hasta alcanzar el óvulo dentro de un ovario, donde se realiza la fecundación y las primeras etapas del desarrollo. Después se forma alrededor del embrión una concha o quiste que luego se endurece. Más tarde, el embrión envuelto en esa cubierta protectora se desprende de la hidra madre y permanece en el agua, hasta que el quiste se ablanda y deja salir a la nueva hidra. La planaria. Se reproduce en forma asexual y sexual. De manera asexual, cuando se constriñen en dos, por lo general detrás de la faringe; las partes que faltan en cada fragmento crecen y se convierten en dos planarias completas. Estos animales son hermafroditas —poseen los dos órganos sexuales: masculino y femenino—, su reproducción sexual es por fecundación cruzada (el espermatozoide de un individuo se fusiona con el óvulo de otro). Al aparearse, dos planarias juntan sus partes ventrales posteriores y cada una deposita sus espermatozoides en el receptáculo seminal de la otra. Después, los espermatozoides se transportan por el oviducto donde fecundan a los óvulos. Los cigotos se cubren de una cápsula y la planaria las deposita en el agua, de los cuales más tarde salen nuevos individuos. La lombriz de tierra. Las lombrices de tierra son hermafroditas; se reproducen sexualmente; su fecundación es cruzada. Para aparearse, dos lombrices unen sus superficies ventrales, pero con los extremos anteriores en sentido opuesto e intercambian espermatozoides, al mantenerse unidos en esa posición por las secreciones mucosas de sus clitelos (abultamiento glandular que se localiza en algu-
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura Fig i ura 3 3.75 75
La reproducción de los saltamontes se logra hasta que la hembra tiene el peso suficiente.
Figura Fig ura 3 3.76 76
Metamorfosis completa.
Figura Fig i ura 3 3.77 77
Copulación de anfibios. Al posarse sobre la hembra, el macho induce a la liberación del óvulo al medio acuático.
nos segmentos de la epidermis). Los espermatozoides de cada lombriz se depositan en los receptáculos seminales de la otra, después se separan. Algunos días posteriores a la copulación, cada lombriz produce un tubo mucoso alrededor del clitelo y de los segmentos anteriores. Enseguida el clitelo secreta una vaina mucosa que rodea una capa externa de quitina. Esta vaina que circunda al clitelo forma el capullo, el cual al empujarse junto con el tubo mucoso por los movimientos musculares del animal, se desplaza hacia delante, sobre su extremo anterior; en el capullo van a ser depositados los óvulos y los espermatozoides y se efectúa la fecundación. El capullo, después de deslizarse sobre la cabeza de la lombriz, se libera del cuerpo del animal, el cual se deposita en el suelo, el tubo mucoso se desintegra, los extremos del capullo se cierran y en los óvulos fecundados al interior se desarrollan las diminutas lombrices. Regeneración. En su etapa adulta, la lombriz de tierra puede regenerar algunos segmentos tanto de su extremo anterior como del posterior. Saltamontes. Son animales unisexuales (de sexo opuesto). Por lo general, copulan a fines del verano; el macho se sube sobre el dorso de la hembra, introduce los genitales en su vagina y le transfiere los espermatozoides (fig. 3.75). Después de la fecundación, la hembra deposita los huevos en el suelo y la puesta puede ser de ocho a diez veces. Los huevos suelen estar unidos en paquetes por una secreción mucosa. Al nacer el saltamontes tiene una forma que se parece a la del adulto, aunque de proporciones distintas, como la cabeza muy grande en comparación con el cuerpo, y no tiene alas. Conforme el cuerpo crece se vuelve grande para su exoesqueleto, por eso tiene que mudar periódicamente; de esta manera, el insecto adquiere mayor tamaño hasta convertirse en adulto y obtener alas. Los insectos que alcanzan la etapa adulta en forma gradual por mudas sucesivas, se dice que son de metamorfosis incompleta. En cambio, en otros como la mariposa que sus transformaciones son muy profundas, se dice que son de metamorfosis completa (fig. 3.76).
REPRODUCCIÓN EN VERTEBRADOS Peces. La mayoría de los peces son de sexo separado, tanto los ovarios (unidos en uno solo) de la hembra como los testículos del macho se localizan en la parte posterior del abdomen. Por lo general, los peces son de fecundación externa: las hembras depositan en el agua sus óvulos y sobre ellos después los machos arrojan el semen que contiene los espermatozoides, ambos gametos salen por la abertura urogenital y se fusionan en el agua. La mayor parte de los cigotos o huevos sirve de alimento a otros peces, sólo una mínima cantidad alcanza su desarrollo total. Los condrictios así como los tiburones y las rayas son de fecundación interna. Anfibios. Son de sexos separados y de fecundación externa. El proceso de reproducción se realiza en el agua; el macho salta sobre el dorso de la hembra y la abraza, ésta libera sus óvulos; enseguida, el macho descarga sus espermatozoides sobre los óvulos, y al fusionarse cada uno con un óvulo se logra la fecundación externa (fig. 3.77). Los huevos quedan cubiertos con una envoltura gelatinosa que los protege. Las crías son larvas acuáticas con aspecto de pequeños peces; estas larvas se conocen como renacuajos, respiran
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA por branquias y tienen cola. Durante la metamorfosis, desarrollan patas y pulmones y pierden branquias y cola. Reptiles. Son de sexos separados y de fecundación interna, para la cual el macho se aparea con la hembra; la mayoría de los reptiles es ovípara, las hembras depositan los huevos cubiertos con cáscaras en sitios con una adecuada temperatura solar para la incubación o los entierros por la hembra, como sucede con las tortugas. En algunas serpientes el desarrollo del embrión es interno, los huevos eclosionan dentro del cuerpo materno y las crías se liberan al exterior. En este caso se dice que son ovovivíparas. Aves. Son de fecundación interna y ovípara, porque aunque el espermatozoide fecunda al óvulo dentro del aparato reproductor de la hembra, el embrión se desarrolla fuera del cuerpo materno dentro de un huevo. Los machos tienen dos testículos en forma oval. Los espermatozoides que producen salen por los vasos deferentes y antes de desembocar en la cloaca, por dilatación de su extremo forma la vesícula seminal. Las hembras sólo desarrollan ovario y oviducto del lado izquierdo. Durante la cópula (se realiza por contacto de las cloacas), los espermatozoides que se almacenan en la vesícula seminal pasan de la cloaca del macho a la de la hembra; la fecundación ocurre en el oviducto (fig. 3.78). Después, los huevos se expulsan hacia el exterior. Mamíferos. Tienen fecundación interna y la mayoría es vivíparo. Los testículos del macho se encuentran dentro de los sacos llamados escroto, fuera de la cavidad abdominal. La producción de los espermatozoides es continua. En tanto que, los ovarios de la hembra que se localizan en la parte dorsal de la cavidad abdominal, producen los óvulos, los cuales se rigen por un ciclo con una duración que varía según la especie. Cuando el macho se aparea con la hembra transfiere por medio de su pene los espermatozoides al conducto reproductor femenino, si el espermatozoide fecunda el óvulo se forma el cigoto que inicia una serie de divisiones o segmentaciones y se implanta en la pared del útero donde se desarrolla el embrión. Éste permanece unido a la madre durante la gestación por la placenta, a través de la cual recibe nutrientes, oxígeno y elimina sustancias de desecho. La duración de la gestación también es variable en cada especie.
Fig. 3.78
Sistema reproductor masculino y femenino de los seres humanos. 163
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
DESARROLLO DEL EMBRIÓN DEL POLLO Objetivo Identificar la semejanza que tienen las etapas iniciales del desarrollo de los embriones de aves y mamíferos y la similitud que hay entre sus membranas extraembrionarias. Consideraciones teóricas Las fases iniciales del desarrollo embrionario de diferentes especies de vertebrados presentan mucha semejanza estructural, lo que indica que derivaron de un ancestro común. Las membranas extraembrionarias que protegen y nutren el embrión de los vertebrados terrestres son: corion, amnios, alantoides y saco vitelino. El corion rodea en forma externa al embrión; en aves y reptiles se encuentra junto al cascarón y es el medio de intercambio de gases. En mamíferos, participa en la formación de la placenta. El embrión se desarrolla en el amnios que forma una cavidad que se llena de un líquido que lo protege al amortiguar los impactos, al mismo tiempo le da cierta libertad de movimiento. El alantoides se conecta al embrión en forma de globo, se origina entre el amnios y el corion. En reptiles y aves, sirve para desechar sustancias productos del metabolismo del embrión, especialmente residuos nitrogenados. En mamíferos, casi no es funcional ya que la eliminación de desechos se efectúa por medio de la placenta. En reptiles y aves, el saco vitelino, rodea y contiene el vitelo (la yema); tiene función nutritiva; sus células digieren el vitelo, cuyas moléculas se transportan por los vasos sanguíneos para nutrir al embrión. En mamíferos casi no contiene vitelo y sirve para formar células sanguíneas embrionarias. Material • Tijera de punto fino.
• Caja de Petri.
• Microscopio estereoscópico.
• Pinza de punto fino.
• Gotero.
• Huevo fertilizado de cinco días de incubación
• Solución salina a 38 °C.
• Círculo de papel filtro.
E A
B
D
F
C
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
Procedimiento 1. Con la tijera corta el cascarón con mucho cuidado, no demasiado profundo siguiendo la línea punteada (figura A). 2. Con la pinza separa la parte del cascarón cortada (figura B). 3. Con el gotero retira la clara para que quede descubierta la yema. (figura C). 4. Coloca el anillo de papel filtro en el seno sanguíneo marginal del embrión. (figura D). 5. Con la pinza toma el borde del anillo del papel adherido a la membrana que cubre al embrión y corta la membrana alrededor del anillo. (figura E). 6. Separa el embrión de la yema y pásalo a la solución salina contenida en la caja de Petri (figura F). 7. Por medio del microscopio estereoscópico observa las características que presenta el embrión. 8. Identifica su cavidad amniótica y el alantoides. 9. Compara el embrión observado con el de un mamífero en una etapa de desarrollo similar. 10. Registra tus observaciones y elabora un reporte de la práctica. 11. Elabora tu propia opinión sobre la importancia que tiene este procedimiento para conocer e identificar las diferentes etapas del desarrollo de los embriones, ya sea de aves o de mamíferos. Coméntalo con tus compañeros y profesor de clase. Fuente: Consejo Nacional para la Enseñanza de la Biología. Biología: unidad, diversidad y continuidad de los seres vivos. Investigaciones de laboratorio y de campo. CECSA, 1979. Págs. 229-234.
9. IMPORTANCIA ECOLÓGICA Y SOCIOECONÓMICA DE LOS ANIMALES Importancia ecológica Los animales como integrantes de una comunidad o de los ecosistemas desempeñan funciones específicas de acuerdo con su especie, mediante las cuales contribuyen a mantener con cierta estabilidad las condiciones de su medio. Por ejemplo, los pequeños crustáceos que forman parte del zooplancton en agua dulce y de mar constituyen un importante eslabón en la cadena alimentaria de varias especies de animales del medio acuático. También muchos insectos sirven de alimento a peces, aves y algunos mamíferos. A su vez, los que se nombran carroñeros como los buitres, las hienas y ciertos escarabajos, se alimentan de animales muertos (fig. 3.79), y los detritófagos o detritívoros, como los cangrejos y las lombrices de tierra, se alimentan de materia orgánica en descomposición (detritus) y son eslabones de sus cadenas de alimento y con su acción sanean el ambiente. 165
Figura Fi Fig ura 3 3.79 79
Los buitres como ejemplo de animales carroñeros.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA La depredación, que es muy generalizada entre los animales, funciona como mecanismo regulador del crecimiento de las poblaciones al exterminar individuos débiles, enfermos y viejos que son las presas más fáciles de capturar, lo que favorece a un mantenimiento equilibrado del ecosistema. Otra labor que contribuye a la conservación ambiental es la de los insectos y algunas aves que al obtener su alimento del néctar de las flores transportan el polen a otras flores propiciando la fecundación cruzada de las plantas, lo que favorece la diversificación y fructificación de éstas (fig. 3.80). En tanto que los animales que se alimentan de los frutos ejecutan otra importante acción: la de dispersión de la semilla, cuando con sus excrementos las liberan en otras áreas donde germinan y desarrollan nuevas plantas. Figura 3.80
Al alimentarse del néctar de las flores, los insectos contribuyen a la polinización.
Figura Fig igura ura 3 3.81 81
Los invertebrados marinos son una importante fuente de proteínas.
Figura Fig i ura 3 3.82 82
Algunos insectos se emplean en la alimentación y otros producen daño a la salud de los organismos.
Importancia socioeconómica Los recursos bióticos se encuentran estrechamente ligados a la vida humana; en su vida de nómada los primeros grupos humanos sólo se dedicaban a la caza, la pesca y la recolección. El hallazgo de lascas talladas junto a restos de animales extintos, sugieren que esos primeros instrumentos los utilizaron para destazar sus presas y para desprenderles la piel. La fauna silvestre comprende gran variedad de especies de animales invertebrados y vertebrados que representan importantes recursos, de los cuales se obtienen carnes, piel, cuernos, concha y pluma. Los moluscos como ostras, almejas y mejillones son muy importantes en la alimentación (fig. 3.81). En algunas zonas costeras funcionan criaderos naturales de ostras. De las conchas de estos bivalvos se obtiene carbonato de calcio que sirve de alimento a las aves. Los crustáceos como los camarones, las langostas y los cangrejos tienen carne muy apreciada. Hay estados de la República donde se desarrolla la camaronicultura o cría de camarones. En un principio, los que se dedican a esta actividad emplearon larvas silvestres, últimamente las sustituyen por larvas que obtienen de reproductores que se cultivan por medio de un proceso selectivo en el que se procurado su mejoramiento genético. Las especies que más se cultivan son el camarón blanco (Penaeus vannamei) y el camarón azul (Penaeus stylirostry). En ciertas regiones de nuestro país algunos invertebrados terrestres se aprovechan en la alimentación como los insectos, entre los que se encuentran los chapulines y las larvas de hormigas (escamoles). De otros insectos se obtiene la miel y la seda que son productos de interés en la industria alimentaria y del vestido, respectivamente. Sin embargo, no todos los insectos son benéficos, algunos causan daño a las plantas de cultivo, a los árboles de los bosques; otros contaminan los alimentos y representan un peligro para la salud humana y de los animales (fig. 3.82). También, la carne del tiburón y de la raya (que son peces cartilaginosos) se come. La piel del tiburón curtida se emplea para fabricar zapatos y para encuadernar libros. El aceite del hígado del tiburón es rico en vitamina A. Los peces óseos son los que más se consumen como alimento; tienen un alto valor nutritivo, ya que su carne contiene de 13 a 20% de proteínas. La acuacultura o acuicultura es la cría de peces en estanques artificiales. Esta actividad contribuye a la producción alimentaria de la población ante la creciente demanda de peces y crustáceos. Los principales criaderos de peces y camarones se encuentran en China, Japón, Noruega, Israel, India, Ecuador, Tailandia y Taiwán. El aceite de los peces se emplea en la industria de la pintura. El aceite del hígado de bacalao por su alto contenido de
166
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA vitamina D, suele utilizarse como complemento alimenticio. Los residuos de los peces que se procesan en las fábricas de conserva, así como peces de algunas especies que se desechan, se industrializan para obtener harina que se utiliza como alimento de aves y como componente de fertilizantes. La piel de cocodrilos, caimanes y grandes serpientes se utiliza para fabricar zapatos, bolsos, carteras y cinturones; la sobreexplotación de estos reptiles pone en peligro la sobrevivencia de las especies. Actualmente hay medidas restrictivas para su caza, se conservan en áreas naturales protegidas. Lo mismo sucede con las tortugas marinas: su carne y huevo se explotan mucho, al grado que actualmente algunas especies se encuentran en peligro de extinción. De diversas especies de aves se aprovecha la carne, el huevo y las plumas (fig. 3.83). En las comunidades rurales es muy frecuente la comercialización de las aves silvestres como los patos, las palomas, las codornices y otras que son canoras y de ornato como el canario y la guacamaya. Ante la declinación de muchas especies se establecieron medidas legales que restringen su caza y se conservan en áreas naturales protegidas (fig. 3.84). Algunas especies de mamíferos tienen gran demanda en la alimentación y la industria. Otras han sido domesticadas y se utilizan como animales de carga y transporte. Del ganado bovino y caprino se obtiene la leche y sus derivados. Actualmente resalta la importancia de los mamíferos en el campo experimental de la ingeniería genética, ya que en años recientes se clonan ovejas y vacas transgénicas (genéticamente modificadas) con fines terapéuticos. En las ovejas se incorporó el gen humano que codifica para el factor IX, proteína de coagulación sanguínea, que se utilizan para el tratamiento de la hemofilia B. De vacas transgénicas se obtiene leche con incorporación de proteínas de interés farmacéutico. Por ejemplo, se logró la expresión del gen que codifica para la enzima lactasa que descompone la lactosa en glucosa y galactosa, ya que muchas personas son intolerables a la lactosa (fig. 3.85).
Figura Fig i ura 3.83 3 83
Algunas aves silvestres y domésticas son aprovechadas para el consumo humano.
Evaluación formativa 1. Completa el siguiente cuadro anotando las características de los procesos fisiológicos de cada grupo de animal.
Nutrición
Respiración
Excreción
Figura 3.84
Ciertas especies de aves se encuentran en peligro de extinción.
Reproducción
Hidra Planaria Lombriz de tierra Saltamontes Peces Anfibios Reptiles Aves Mamíferos
2. Anota la problemática de la sobreexplotación de la fauna silvestre, ¿qué medidas propones para un aprovechamiento sostenible de este recurso? Elabora tus conclusiones argumentando tu postura con elementos teórico-prácticos que se relacionen con la vida real.
Figura Fig ura 3.85 3 85
A través de la biotecnología se ha logrado obtener vacas transgénicas que producen leche deslactosada. 167
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD VISITA UN PARQUE ZOOLÓGICO En colaboración con los demás integrantes de tu equipo visiten el parque zoológico más cercano a su comunidad. Anoten el nombre de cada clase de vertebrados que observen (peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos) y algunas de sus características como tipo de nutrición, respiración, excreción y reproducción, así como la importancia ecológi-
Figura 3.86
Las épocas y rituales de apareamiento varían en cada especie.
Figura 3.87
El colorido del plumaje es importante cuando las hembras seleccionan al macho para el apareamiento.
ca, social y económica de cada uno. Con las aportaciones de todos los miembros del equipo, redacten un reporte de la visita y elaboren un collage para exponerlo ante el grupo, así como sus conclusiones sobre la experiencia que tuvieron, tomando como referencia los aspectos técnicos que se desarrollaron durante las clases.
Es común que nos sorprenda la serie de acciones que ejecutan algunas aves cuando van a reproducirse (fig. 3.86). El comportamiento sexual de estos animales empieza cuando el macho, para cortejar a la hembra, exhibe su plumaje de llamativos colores o emite un canto (fig. 3.87). Después se aparea con la hembra dentro de su territorio y mientras esperan el nacimiento de la nueva camada, construyen el nido con materiales que acarrean de diferentes lugares. Una vez que lo confeccionan, la hembra deposita en él los huevos y los empolla al calentarlos con su cuerpo durante determinado tiempo, a veces también el macho participa en la incubación (fig. 3.88). Al nacer las crías, la madre los alimenta con insectos o granos que coloca dentro de su pico, ya que al sentir la presencia de la madre los polluelos lo abren (fig. 3.89). Esta secuencia de acciones, como las que ejecutan las aves, recibe el nombre de comportamiento. Éste se define como cualquier respuesta del organismo a estímulos internos y externos. La etología (del griego ethos que significa comportamiento o costumbre y logos, estudio o tratado) es la ciencia que estudia el comportamiento de los animales. El comportamiento es la reacción que los seres vivos presentan como respuesta ante las alteraciones de su medio interno o externo. Cada organismo responde —mediante un comportamiento específico— a los cambios que se producen por factores ambientales como luz, temperatura, gravedad, sustancias químicas, entre otros más. La sobrevivencia de un organismo y la preservación de su especie dependen, en buena parte, de la manera en que éste reacciona ante los cambios de su entorno. Por lo anterior, se afirma que los seres vivos que hoy habitan la Tierra han mantenido una conducta exitosa, ya que debido a ella han podido adaptarse, desarrollarse y reproducirse en un ambiente que ha sufrido una serie de cambios a través del tiempo.
Figura 3.88
Figura 3.89
Figura 3.90
Después de elegir el lugar donde hará el nido, el ave cuida sus huevos y sus crías.
El tipo de pico determina la clase de dieta que el ave proporciona a su cría.
La capacidad de adaptación a los cambios ambientales y, por tanto su sobrevivencia, varía de una especie a otra.
168
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
10. TIPOS DE CONDUCTA DE LOS ANIMALES La conducta o comportamiento animal ha sido tema de muchos estudios. Actualmente se sabe que tiene su base en la información genética que el individuo recibe por medio de sus genes, los cuales determinan el nivel de complejidad de su sistema nervioso y su estructura corporal. No obstante, el comportamiento puede modificarse debido a estímulos ambientales. Esto significa que el comportamiento de los animales es el resultado de la interacción entre la constitución genética del organismo y la acción del ambiente (fig. 3.90). El comportamiento es producto de la respuesta que el organismo da a los estímulos que recibe del ambiente y que el cerebro procesa. Sin embargo, la estructura de los órganos sensoriales —encargados de recibir la información de los estímulos— y la capacidad del cerebro para procesar la información y dar una respuesta se determinan por la información genética de cada especie.
Figura 3.91
La información genética puede ser modificada por estímulos ambientales.
Comportamientos innatos y aprendidos Innatos Algunos comportamientos se determinan completamente por el programa genético del individuo y reciben el nombre de innatos (fig. 3.91). El comportamiento innato aparece esencialmente completo desde la primera vez que el organismo se encuentra con un estímulo particular y debido a que se rige por los genes no requiere de aprendizaje o experiencia previa. Cinesis. Es una conducta innata en la cual se presenta la modificación de la velocidad de locomoción de un animal como respuesta a la intensidad de un estímulo externo, sin que dicha respuesta se oriente necesariamente en dirección al estímulo. Acelera sus movimientos para huir de un medio que le es desfavorable y se detiene cuando encuentra uno que le favorece. El invertebrado que más se identifica con este tipo de comportamiento es la cochinilla de humedad (Oniscus asellus). Son animales sumamente sensibles a la humedad y tienden a concentrarse en lugares húmedos. Cuando se encuentran en un terreno seco se desplazan con rapidez; en cambio, al alcanzar un lugar húmedo, disminuyen la velocidad hasta llegar a la zona más húmeda en la cual permanecen (fig. 3.92). En 1954, Harden Jones de la Universidad de Cambridge halló que las larvas de la lamprea de arroyo (Lampetra planeri) mostraban un comportamiento fotocinético, es decir, que la presencia de luz les estimulaba movimientos natatorios al azar que, eventualmente les llevaban a lugares oscuros donde descansaban en ausencia de más estímulos. Taxias. En las taxias, las respuestas del organismo tienen un sentido hacia el origen del estímulo. Cuando el desplazamiento es en dirección al estímulo se trata de una respuesta positiva y si es en dirección opuesta es negativa. Por ejemplo, cuando los insectos son atraídos por la luz de una lámpara, demuestran una fototaxia positiva (fig. 3.93); en cambio, las cucarachas que se alejan de la luz realizan una fototaxia negativa (fig. 3.94). Las algas protistas fotosintéticas, como la Euglena y la Chlamydomona que son componentes del fitoplancton, demuestran fototaxia positiva cuando se trasladan hacia zonas de mejores condiciones de iluminación; en cambio, tienden alejarse del área donde la luz es muy brillante, con ello ejecutan una fototaxia negativa. Los patrones de comportamiento fijo (fixed action pattern, FAP) son comportamientos innatos complejos, que pueden realizarse correctamente desde la primera vez en que el individuo se enfrenta a un estímulo evocador, el cual se llama liberador. Este tipo de comportamiento tiende a ser muy estereotipado; es decir, a realizarse siempre de igual manera, razón por la que se llama patrón de acción fija (fig. 3.95). Como ejemplos 169
Figura 3.92
La cochinilla (Oniscus asellus) es el único crustáceo adaptado a vivir solamente en la tierra.
Figura 3.93
Fototaxia positiva.
Figura 3.94
Fototaxia negativa.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Aprende a ser en la biología Comprobar las reacciones a los estímulos Objetivo Observar nuevas respuestas de taxias, por medio de un experimento. Procedimiento Diseña un sencillo experimento que te permita observar otras respuestas de taxias. Después, elabora un reporte acerca de los resultados que obtengas, así como tu opinión sobre el proceso que realizaste, mencionando la importancia que este comportamiento tiene en un ser vivo. Figura 3.95
Patrón de acción fija.
pueden indicarse la abertura de la boca de los polluelos ante la presencia de la madre o la rodadura de los huevos de las gansas cenizas. En este caso, si un huevo rueda fuera del nido, la gansa lo regresa empujándolo con el pico, y, así, recupera el huevo, mediante una serie de movimientos de su cuello. El cuidado materno. Otro comportamiento innato que se observa en muchas especies de animales es el cuidado que la madre tiene con su descendencia. Con frecuencia, esta conducta se observa en aves y mamíferos. Sin embargo, también se presenta en algunos invertebrados; un caso sorprendente de cuidado materno es el de la hembra del pulgón Elasmosthetus interstinctus, la cual cubre con su cuerpo a la progenie antes y después de que ésta abandone el saco pupal. Primero, lo hace con los huevos depositados y después sigue los movimientos de sus hijos, a los cuales resguarda a manera de sombrilla. Sólo después de la primera muda larvaria, abandona a sus pequeños, que aún se mantienen unidos por algún tiempo, para más tarde separarse (fig. 3.96).2 Figura 3.96
Por lo general, el cuidado de las crías se reserva a la madre, aunque en algunas especies el padre también participa.
Aprendidos El aprendizaje es la capacidad del organismo para modificar su comportamiento con base en la experiencia. Dicha capacidad es mayor entre los animales de sistema nervioso complejo. Por ensayo y error. Cuando se realiza en forma experimental; en laboratorio, se llama por condicionamiento operante. Son aprendizajes que no sólo dependen de la contigüidad de estímulos, sino también de buenas o malas experiencias. De tal manera que el animal aprende haciendo, al asociar su comportamiento con lo que obtiene de él (fig. 3.97). Con la caja Skinner, la cual inventó el doctor Burrhus Frederic Skinner (1904-1990), se logra que una rata accione por medios casuales una palanca que le proporciona una pequeña porción de alimento. Después, la rata con base en el estímulo, la repetición y el premio aprende a asociar la acción de la palanca con la obtención del alimento. Si una abeja encuentra que en ciertas flores hay mayor cantidad de néctar que en cualquier otro sitio, acudirá siempre a esa fuente de alimento más productivo; pero si esas flores tuvieran poca producción de néctar o éste tuviera un sabor desagradable la evitaría.
Figura 3.97
Por ensayo y error, un animal puede aprender motivado por el hambre y recompensado con el alimento.
2
Bernard Chaubet, “De cerca. Mamá pulgón”, en Investigación y ciencia, núm. 261, Barcelona, junio de 1998, p. 32. 170
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Introspección (también se nombra por razonamiento o discernimiento). Es el proceso de aprendizaje más complejo. Consiste en que el animal recuerda y asocia experiencias de actividades ya ejecutadas para aplicarlas al resolver un problema nuevo. En 1917, Wolfgang Kohler (1887-1967) demostró que un chimpancé podía alcanzar un racimo de plátanos suspendido del techo: el animal primero intentó agarrarlo desde el piso, sin lograrlo. Después, apiló algunas cajas hasta obtener la altura necesaria para tomar la fruta. Este nuevo modelo de comportamiento del chimpancé resultó de la combinación de motivaciones como el hambre y la curiosidad, la información visual de la fruta y las cajas, así como su comportamiento innato de caminar y transportar objetos (fig. 3.98). Impronta (también se llama fijación o troquelado). Es un aprendizaje por asociación en el que un estímulo está conectado con otro. Por impronta, el animal aprende una asociación durante una etapa temprana de su desarrollo, que se nombra periodo sensitivo o crítico. El zoólogo austriaco, padre de la etología, Konrad Lorenz (19031989) demostró el aprendizaje por impronta con aves, poco tiempo después de que éstas nacieran. Durante el periodo sensitivo, los polluelos siguen al primer animal u objeto que encuentran, ya que el objeto de fijación natural es la madre. También, la impronta en las crías puede propiciarse en un laboratorio con algún juguete en movimiento o con otro animal al que los vástagos reconocen como madre y siguen a donde quiera que vaya. En la impronta el patrón del comportamiento fijo es el seguir y el liberador del mismo es el objeto o el animal que suplanta a la madre y al que siguen. Condicionamiento clásico. En este tipo de aprendizaje, que también es por asociación, el animal relaciona una respuesta a un nuevo estímulo (fig. 3.99). Un ejemplo del condicionamiento clásico son los trabajos acerca de los reflejos condicionados que realizó el fisiólogo ruso Ivan Pavlov (1849-1936) a principios del siglo XX. Descubrió que al alimentar a un perro al mismo tiempo que hacía sonar una campana, éste relacionaba la comida con el sonido de la campana y, por tanto, secretaba saliva. Después, el animal salivaba con sólo escuchar la campana. Pavlov llamó al alimento estímulo no condicionado, ya que causaba la salivación del perro y a la campana estímulo condicionado, porque evocaba la respuesta normal del perro ante el estímulo de la comida.
Evaluación formativa Contesta en forma breve las siguientes preguntas: 1. ¿Qué relación encuentras entre el comportamiento de los organismos y su sobrevivencia? Menciona al menos dos ejemplos. 2. ¿Qué diferencias hay entre el comportamiento innato y el aprendido? Relaciónalo con algún tipo de comportamiento que hayas tenido en el contexto social. 3. ¿En qué se distingue la cinesis de las taxias? Elabora una opinión sobre la importancia que cada una tiene, así como su utilidad en el medio en el que se den. 4. Investiga otros dos casos de aprendizaje en animales por ensayo y error, argumenta cada uno con elementos teóricos. 5. ¿Qué importancia tiene la impronta en la vida de las aves en su medio natural?
Figura Fig igura 3 3.98 98
Aprendizaje por introspección.
Figura 3.99
Condicionamiento clásico. Se condiciona al perro a salivar con el sonido de un timbre. 171
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
11. RESPUESTAS AL AMBIENTE Los diversos factores físicos y químicos del ambiente influyen en el comportamiento de los organismos. En su hábitat —que es el tipo de ambiente donde se desarrollan— encuentran la energía y materia que los nutre, así como el refugio y las condiciones específicas de temperatura y humedad que les permite vivir (fig. 3.100). El hecho de que cada especie de plantas y animales escoja un lugar apropiado para vivir es consecuencia de un largo proceso de evolución, durante el cual desarrollaron adaptaciones específicas que les permiten interrelacionarse con su medio.
Tipos de respuestas Figura 3.100
Las plantas y animales seleccionan el lugar para vivir de acuerdo con su desarrollo evolutivo.
El animal no vive solo en su ambiente ni su presencia allí es de forma casual, lo rodea una infinidad de cosas que en conjunto forman el ambiente. Al hacer un sencillo análisis de esa serie de cosas, por un lado podemos separar el material abiótico (inanimado o inerte) que influye en la vida de los organismos, como energía solar, agua, suelo, atmósfera y sustancias químicas. Por otra parte se encuentran las plantas, los animales, los hongos y los microorganismos que integran el medio biótico. Cada uno de estos elementos que compone el ambiente, es una pieza importante para el funcionamiento armónico de conjunto como una unidad; es decir, no sería posible sustraer o eliminar a uno sin que afecte al conjunto. En los ecosistemas (que son las unidades ecológicas) como un lago, una pradera, un bosque o el mar, los organismos que en ellos habitan forman la comunidad, y éstos se encuentran en interacción permanente con los elementos de su medio físico. Por eso, la presencia de cada individuo en su hábitat no es casual, ya que para sobrevivir en él mantienen importantes interacciones con otros miembros de su comunidad y con los elementos de su ambiente físico (a lo que se llama ambiente). Como respuesta de los animales a la influencia de los componentes del medio se describe su comportamiento por selección de hábitat, obtención de alimento, evasión de depredadores y migración (fig. 3.101).
Figura 3.101
Los organismos —vegetales y animales— que viven en el mar presentan cambios adaptativos debido a la intensidad luminosa que se produce en su hábitat.
Figura 3.102
Los roedores evitan lugares de peligro para cavar sus madrigueras.
Selección de hábitat. El hábitat es la parte más pequeña del ambiente, donde una especie se refugia, se alimenta y se reproduce. La selección del hábitat en los animales ocurre casi siempre a temprana edad. Las condiciones del hábitat quizá sea una característica heredada de los ancestros que también vivieron en un ambiente similar o que tenga alguna relación con la impronta de cierto periodo de su desarrollo. La capacidad de los animales para escoger el hábitat se aprecia más cuando el lugar donde vivían se alteró o se destruyó y se obligan a buscar otro sitio con características semejantes al hábitat anterior. Por ejemplo, ante el incendio de su ambiente natural, la fauna que habitaba allí y que logra escapar busca otro refugio; los roedores escogen otro lugar apropiado para cavar sus madrigueras (fig. 3.102) y las aves los recursos disponibles para construir nuevos nidos, en un ambiente con las condiciones climáticas y vegetación similares que el ecosistema de procedencia (fig. 3.103). Obtención de alimento (también se llama comportamiento de forraje). Es la forma en que el animal localiza, selecciona y obtiene su alimento. Cada grupo animal desarrolla estrategias específicas en su comportamiento de forraje, como la hora para buscar el alimento, así como mecanismos para localizar y capturar a la presa. Muchos animales del desierto tienen vida activa en la noche. La rata canguro (Dipodomys sp) busca su alimento, principalmente semillas, durante la noche; no bebe agua, porque la produce en su proceso metabólico y para ahorrarla permanece en su madriguera durante el día. Otros buscan su alimento al amanecer o anochecer, cuando la luz es escasa, para así evitar que los descubran sus depredadores. 172
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA La teoría del forraje óptimo, por el cual el animal obtiene su alimento de manera más eficiente, para con ello asegurar su supervivencia, señala que cuando el medio dispone de abundante alimento, el animal tiene la ventaja de escoger sólo presas de mejor calidad; en cambio, cuando el alimento disminuye, se torna menos selectivo, su margen de elección se amplía y escoge mayor variedad de presas. También contribuye al forraje óptimo, la disminución del recorrido para buscar el alimento, así como la habilidad de cambiar a otro tipo cuando hay dificultad de encontrarlo. Por ejemplo, el halcón ante el intento de cazar codornices, si se le facilitara más la captura de roedores, tendría que cambiar nuevas estrategias para obtener mejores resultados. Evasión de depredadores. Por selección natural, las poblaciones de animales desarrollaron diversas características y adquirieron estrategias eficientes a lo largo de su proceso evolutivo para evadir la acción de los depredadores. Por ejemplo, el mimetismo batesiano (en honor a su descubridor Henry Bates) de la mariposa africana de cola de golondrina (Papilio dardanus) que es presa fácil de los pájaros, pero su capacidad de adquirir diversas formas miméticas que le hacen parecida a otras especies de mariposas de mal sabor contribuye a su sobrevivencia.
Figura 3.103
La agudeza visual del halcón le permite escoger a su presa.
También por mimetismo, algunos insectos toman el aspecto de las hojas o de las ramas de las plantas para protegerse de sus depredadores. Otro caso es la coloración protectora o de ocultación, que también se conoce como mimetismo críptico, lo cual es un tipo de camuflaje, porque el color de los animales imita al del medio en el que viven y de esta forma se confunden fácilmente ante sus enemigos potenciales (fig. 3.104); por ejemplo, el pelaje blanco del oso polar, el color de la piel de los camaleones, las manchas de la piel de las jirafas y las rayas de las cebras, son fácilmente confundibles con el medio en que habitan. Otro ejemplo de evasión de depredadores es por medio de sustancias químicas que libera la presa, como en el caso del pulpo, que para ponerse a salvo de su depredadores expulsa una tinta negra que al incorporarse al agua forma una densa capa oscura que desorienta al atacante; otro medio son las defensas mecánicas, como las púas del puerco espín y el caparazón de las tortugas. Sin embargo, a la par con las características que desarrollan las presas, también algunos depredadores se confunden como el medio por su color o su forma, lo que aprovechan para acechar a la presa, como el pelaje color canela del león y la piel rayada del tigre. Además, también incrementan la eficiencia de sus estrategias de caza.
Figura 3.104
Por mimetismo, ciertos organismos obtienen alguna ventaja como protección u ocultación por su semejanza con otros o con objetos de su entorno.
Migración En su proceso evolutivo, muchos animales adquirieron el comportamiento de emigrar a otras regiones con mejores condiciones para sobrevivir o reproducirse en cierta época del año, para después retornar al lugar donde viven; esto se conoce como migración (fig. 3.105). Casi siempre, estos viajes migratorios son en grupo; cada año, miles de animales abandonan su lugar de origen para viajar de día o de noche a otra región, en ocasiones muy distante y, a veces, al mismo sitio al que llegaron sus padres o sus ancestros en el pasado. En la migración, los animales invierten mucho tiempo y esfuerzo; hay emigrantes que llegan a perder hasta la mitad de su peso, como las aves. Algunos mueren o se pierden en el trayecto.
173
Figura 3.105
La migración es un comportamiento de muchas especies para evitar condiciones climáticas desfavorables o para su reproducción.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA
Figura 3.106
La migración de los peces está guiada por olores químicos de los ríos de los que provienen.
Los animales se orientan en el viaje al responder adecuadamente a las señales del camino, lo que hace que su ruta no sea otra cosa que el resultado de la serie de acciones adecuadas que ejecuta como respuesta a las señales que reciben del medio. Por ello, utilizan la agudeza y versatilidad de sus sentidos, los cuales son difíciles de identificar por los humanos. Por ejemplo, los peces pueden percibir el olor de su entorno acuático mediante las células que tienen a lo largo de su cuerpo (fig. 3.106). Las aves pueden guiarse al detectar el campo magnético de la Tierra. Otra manera de orientación de las aves y otros animales es por medio del sentido de la brújula de luz, el cual consiste en guiarse por medio de los ángulos de inclinación de la luz del Sol, la Luna o las estrellas con respecto al horizonte. Para ello, es necesario que el animal tenga un sentido del tiempo, debido a que la posición de la fuente luminosa (el Sol, la Luna y las estrellas) cambia durante la duración del día y el año, y solamente se ubica sobre el mismo punto de la Tierra a la misma hora, día y estación.
Migración estacional Este tipo de migración se vincula con el cambio de las estaciones del año, así los animales evitan condiciones climáticas desfavorables como el frío y la sequía y se desplazan hacia una zona, por lo general distante, con clima templado o caluroso y con mayor disponibilidad de alimento.
Figura Fig i ura 3 3.107 107
La migración de focas es un gran espectáculo de la naturaleza.
Por ejemplo, una gran cantidad de focas se reúne en temporada de cría en las islas Pribilof del mar de Bering, cerca de la costa de Alaska. Al término de la estación de cría, los machos viejos buscan pasar el invierno en las islas Aleutianas y en sitios cercanos. En tanto, las hembras con sus crías y los machos jóvenes emprenden el viaje hacia el sur, para pasar el invierno en las aguas templadas de California Sur donde, además, el alimento es abundante. Las focas retornan a su lugar de origen en el verano (fig. 3.107). Otro ejemplo es el comportamiento de las mariposas monarca que viajan en el otoño desde las frías regiones de Canadá hasta los estados centrales de México, donde encuentran un refugio con temperatura favorable y alimento suficiente (fig. 3.108).
Migración reproductiva Figura Fig i ura 3 3.108 108
Las mariposas monarca viajan desde Canadá hasta el estado de Michoacán.
Figura 3 3.109 109
Es la que realizan algunos animales cuando viajan a un lugar con las condiciones favorables para su reproducción. El salmón deja las aguas oceánicas y al guiarse por el campo magnético terrestre y por el olor de las aguas de los arroyos regresa al lugar de su origen para desovar en agua dulce y después morirse. En su etapa juvenil, los descendientes emigran hacia las aguas del océano (fig. 3.109). Las anguilas aunque crecen y se pescan en agua dulce como ríos o lagos de Europa Occidental y Oriente de Norteamérica, cuando alcanzan la madurez sexual recorren grandes distancias, al parecer también se orientan por el olfato, hasta las aguas del mar de los Sargazos, cerca de las Bermudas, en el océano Atlántico, donde llegan a reproducirse. Allí, desovan y después se mueren. Las larvas que se originan de los huevos viven cerca de tres años en el mar, lapso en que se transforman en pequeñas anguilas que se llaman angulas, las cuales viajan al lugar de agua dulce donde crecieron sus padres y donde permanecen hasta alcanzar la madurez sexual.
El salmón migra buscando condiciones óptimas para su reproducción. 174
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Evaluación formativa Contesta en forma breve las siguientes preguntas:
UN RETORNO A CASA PARA LA REPRODUCCIÓN Y CRIANZA
1. ¿Qué importancia tiene la selección del hábitat en la vida de los animales así como en la sociedad humana?
Los pingüinos patagónicos o de Magallanes (Spheniscus magellanicus) son aves no voladoras que en el mes de septiembre —cuando se aproxima la primavera en el hemisferio Sur—, cruzan los mares antárticos y arriban a las playas de la Patagonia, Argentina, en el océano Atlántico, para reproducirse. El pingüino tiene sus alas en forma de aletas, adaptadas al nado; sus pies con membranas interdigitales se encuentran situados muy atrás, también contribuyen a su desplazamiento en el agua.
Figura 3.110
Cuando llegan a la costa, el macho que es el primero en llegar, Pingüino de Magallanes. localiza el sitio donde cada año anida, después llega la hembra y busca su pareja. Ambos participan en la incubación. Cuando la cría sale del huevo, aproximadamente en el mes de noviembre, la alimentan los padres al refluir su alimento en el pico abierto de los pichones. Más o menos a los tres meses, las crías alcanzan el tamaño de sus progenitores y en el mes de marzo, la nueva generación junto con los demás miembros del grupo dejan el sitio de reproducción y crianza para incorporarse al agua. Fuente: Archie Carr, “Migración”, en Guía de navegación animal, CECSA, 1976, pp. 6-8. Hilda Suárez y Alejandro Balbiano, “Emblemas de la Patagonia“, ¿Cómo ves?, núm. 70, revista de Divulgación de la Ciencia, UNAM, pp. 30-33.
2. ¿Tiene alguna similitud la teoría del forraje óptimo para la sobrevivencia de los animales con el aprovisionamiento de alimentos en las familias humanas? Explícalo mediante ejemplos de la vida real, establece una relación según sea el caso. 3. ¿Qué otro comportamiento de evasión de depredadores hay en la fauna silvestre de tu región y qué importancia tiene? 4. ¿De qué manera la acción humana altera la migración de los animales y qué repercusión tiene esto en el medio natural? ¿Qué soluciones propondrías para que ya no aumente este peligro en tu comunidad o contexto inmediato?
12. SOCIOBIOLOGÍA Muchos animales se adaptaron a vivir en grupos, como los bancos de peces (cardúmenes), las bandadas de aves (parvadas) y las jaurías (de lobos o perros). En el comportamiento social hay interacción entre los animales del grupo, los cuales casi siempre son de la misma especie. La sociedad puede definirse como un grupo de individuos de una misma especie cuyo comportamiento beneficia a los miembros del grupo. Por ejemplo, los cardúmenes se mueven en forma coordinada, como si formaran un solo cuerpo, para protegerse mejor de sus depredadores. Asimismo, una jauría de lobos obtiene mejores resultados en la cacería, del que obtienen los lobos en forma aislada (fig. 3.111). Sin embargo, también la vida social implica competir por los recursos disponibles en cantidades limitadas (fig. 3.112). El estudio de la evolución del comportamiento social por medio de la selección natural recibe el nombre de Sociobiología.
Figura 3.111 3 111
En las camadas de cachorros sólo sobreviven los más fuertes.
Feromonas Las feromonas son sustancias químicas semejantes a las hormonas que produce el animal, las cuales al excretarse al medio influyen en el comportamiento de otros individuos de la misma especie.
Figura 3.112 3 112
Jauría de perros en busca de presa. 175
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Las feromonas transportan mensajes a largas distancias. Por ejemplo, con la feromona presente en orina de los lobos, éstos delimitan su área de cacería y mantienen alejadas de su territorio a otras manadas de lobos. Otro ejemplo, es el olor especial que liberan las perras para atraer al macho en épocas de celo (fig. 3.113).
Figura 3.113
Para el control de plagas agrícolas, como el escarabajo japonés o el gusano cogollero (Spodoptera frugiperda) se elaboran feromonas como mensaje sexual que atrae a los insectos a sitios donde son exterminados. A diferencia de los pesticidas que matan no sólo a la plaga, sino también a los insectos benéficos (fig. 3.114), las feromonas son de acción específica y no producen cepas resistentes.
Las feromonas transportan mensajes sexuales a largas distancias.
Reproducción Tal vez la relación social de los animales de mayor relevancia sea el comportamiento sexual, ya que mediante él se logra la reproducción y se perpetúan las especies. En la reproducción sexual, cada especie de animal hereda modelos de conducta precopulatoria que se perciben por medio de los sentidos, los cuales conducen al apareamiento. Por ejemplo, el macho del lagarto Anolis, de América del Sur, al encontrarse con la hembra exhibe una bolsa membranosa de color rojizo que trae en la garganta en señal de su sexo y así la atrae. De manera semejante, algunas especies de aves muestran su vistoso plumaje durante el cortejo (fig. 3.115). Figura Fig i ura 3 3.114 114
Los pesticidas matan sin distinción tanto a la plaga como a los insectos benéficos.
Figura Fig i ura 3 3.115 115
El pavo real exhibe su plumaje en el cortejo.
La identificación de la pareja como miembro de la misma especie y la sincronización del comportamiento reproductor de ambos, es decir, que se encuentren aptos fisiológicamente para reproducirse en el momento del apareamiento son condiciones indispensables para el éxito de la reproducción. Por ejemplo, los peces deben liberar al mismo tiempo, la hembra sus óvulos y el macho sus espermatozoides para propiciar la fecundación (fig. 3.116).
EN MUCHAS ESPECIES SON LAS HEMBRAS LAS QUE ESCOGEN PAREJA Del mismo modo que en la especie humana, donde por lo general son las mujeres quienes seleccionan la pareja por los atributos que le encuentran, también en muchas especies de animales son ellas las que escogen a sus machos. Los machos exitosos son los de cuerpo grande y vistoso, adornados de colores llamativos o los que cortejan a la hembra con acciones más notorias. Según Charles Darwin (1809-1882), los caracteres que dan ventajas al macho durante el apareamiento tienden a incrementarse por medio de la reproducción en la población. De esta manera, probablemente, pudieron evolucionar los caracteres que resultan atractivos a las hembras.
Figura 3 3.116 116
Los animales heredan modelos de conducta para reproducirse.
Estudios acerca del comportamiento sexual de numerosas especies animales revelan que son las hembras las que seleccionan a su pareja. Trabajos experimentales hechos con el pez
176
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA
gasterósteos (Gasterosteus acualeatus) figura 3.117, se conoce como espinoso, demostraron que las hembras prefieren a los machos de color rojo más brillante. Aunque a veces al observar que una hembra vieja elige al macho de color menos intenso, la joven por imitación abandona su conducta biológica y escoge al macho de color menos brillante. Cuando un pez depredador se aproxima al grupo, un par de machos suelen aproximarse al intruso para examinarlo; con ello, motivan la atracción de la hembra que escoge al macho que demuestre ser más valiente. En cambio, cuando están ausentes las hembras, por lo general, los machos, no se aventuran a aproximarse al depredador. Asimismo, muchas especies de aves ejecutan diversas acciones y exhiben su plumaje durante el cortejo, para atraer la atención de la hembra.
Figura 3.117
El vientre rojo del pez espinoso (Gasterosteus acualeatus) atrae a la hembra durante el cortejo sexual.
Relación de pareja La unión estable entre animales de sexo opuesto se denomina relación de pareja. Este comportamiento es frecuente en algunas especies de animales, particularmente en la mayoría de las aves, durante su periodo reproductivo; tiene la ventaja de asegurar la participación de la pareja en las actividades de esa etapa como la construcción del nido y el cuidado de la descendencia durante sus primeros días de vida. Durante esa temporada, la pareja se mantiene unida, lo que propicia que ambos tengan un comportamiento monógamo; es decir, que se aparean sólo con su pareja, muy común en aves (fig. 3.118). En cambio, en la selección sexual, que es la lucha de los animales de un sexo —generalmente machos— por la posesión de la pareja, se favorece la conducta poliginia (del griego polis = muchos, y gyne = mujer) que es el apareamiento del macho con muchas hembras (fig. 3.119). Por lo general, son los machos mejor adaptados a su ambiente, los más vigorosos, los que triunfan y al dejar mayor descendencia tienen mayores posibilidades de incrementar sus genes en el acervo génico de la población. La poliginia es frecuente en mamíferos. La poliandria (del griego polis = muchos, y andros = hombre) es el apareamiento de una hembra con varios machos durante la temporada reproductiva; entre sus ventajas puede considerarse la participación de los machos con que se apareó la hembra en el cuidado de la descendencia. En algunos mamíferos, como los chimpancés hembras, hay este tipo de apareamiento. El chimpancé hembra suele aparearse con diferentes machos, sin que ninguno de ellos demuestre una actitud de celos.
Figura 3.118 3 118
Las aves mantienen un comportamiento monógamo.
Figura 3.119 3 119
En los mamíferos es frecuente la poligamia.
Cuidado de la cría En muchas especies de animales se observa el cuidado de los progenitores hacia la descendencia (fig. 3.120). La mayoría de las aves requiere un nido para poner sus huevos e incubarlos; en algunas especies, los padres se turnan durante la incubación. En la construcción del nido, la pareja emplea diversos materiales como ramas, hojas, plumas, que teje dándole la forma de su tipo de nido. Durante el empollamiento y crecimiento de los polluelos, los padres dan calor y cuidan el nido del ataque de intrusos que se acerquen a él, además de alimentar a los polluelos diariamente. 177
Figura 3.120 3 120
Muchos animales cuidan y alimentan a sus crías en las primeras etapas de la vida.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA El beneficio que se obtiene del cuidado de la cría es el aseguramiento de su supervivencia al proporcionarle el alimento necesario y protegerla de los depredadores; ello implica una inversión de tiempo y esfuerzo.
División de recursos Los animales compiten con otros de su misma especie o de distinta especie por la obtención de los recursos que requieren para satisfacer sus necesidades como alimento, refugio y pareja. Es frecuente que como resultado de la competencia se establezca una distribución de recursos como área de vivienda y territorio y posición jerárquica social.
Área de vivienda y territorio Figura 3.121
Machos y hembras participan en la defensa del territorio.
El área de vivienda de los animales es el espacio de su distribución geográfica donde habitan, obtienen los recursos necesarios para vivir, y por el conocimiento que tienen del área pueden evadir a su depredadores. En cambio, el territorio es cierta porción de su área de vivienda que defiende de la intromisión de otros animales de la misma especie o de otra diferente. Territorialidad es la tendencia de los animales que se adaptan a vivir en grupos para defender el área geográfica que ocupan, de la intromisión de individuos de la misma especie o de otra diferente. El estudio de la territorialidad en aves demuestra que es el macho el que, tras de reñir con los machos de territorios vecinos, logra delimitar su territorio al inicio de su periodo de reproducción. Se observó que el macho se vuelve muy agresivo dentro de su territorio y, por lo general, derrota a los que intentan invadir su casa, aunque éstos sean más grandes y fuertes, pero resulta muy dócil cuando penetra en territorio ajeno (fig. 3.121).
Figura 3 3.122 122
El pájaro carpintero construye su casa para guardar alimento.
Por medio de sus cantos o la exhibición de la coloración llamativa de su plumaje, las aves anuncian el dominio de su territorio y atraen a la pareja. De esta manera, el territorio sirve como área de cortejo a la hembra, tanto para la construcción del nido como para el cuidado de la cría. Hay animales como el pájaro carpintero que utilizan su casa, que en este caso es un agujero en el árbol, para almacenar alimento (fig. 3.122). Una vez que se establece la pareja en el territorio, se observa que la hembra participa en la defensa de su espacio, también.
Jerarquía social En diversas especies de animales son frecuentes las confrontaciones, las cuales se manifiestan por medio de una serie de riñas por ocupar una jerarquía de dominio en el grupo.
Figura 3 3.123 123
El combate de dos animales por la obtención de recursos, pero sin lesionarse. Al final el vencido reconoce la superioridad del vencedor y se reducen los encuentros agresivos.
Los encuentros agresivos se reducen a medida que los animales aprenden a conocerse entre sí y cada uno ocupa el lugar que le corresponde de acuerdo con su estatus social. Una vez que se establece la jerarquía, cada miembro del grupo demuestra actitud de sumisión ante el individuo dominante que es el que tiene prioridad al acceso de los recursos disponibles como espacio, alimento y pareja, y es el que deja más descendientes en la población.
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA Las jerarquías no son permanentes, ya que pueden determinarse en luchas continuas. En grupos de aves como palomas y gallinas y mamíferos como lobos, ciervos y monos antropoides es común el comportamiento agresivo para el establecimiento de jerarquías de dominio. La posición de cada animal en la jerarquía dependerá de su tamaño y su fuerza, así como también de su estrategia bélica (fig. 3.123). Su comportamiento agresivo sirve realmente para disminuir las confrontaciones entre los miembros del grupo; en raras ocasiones, la mayor parte de estas manifestaciones agresivas se convierte en peleas sangrientas.
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD VISITA UN GALLINERO DE LA LOCALIDAD (La actividad también la puedes realizar asistiendo a un zoológico o parque en donde haya otros animales.) 3. Al comparar las jerarquías sociales de los animales con aquellas que se establecen en los grupos de la sociedad Identificar los niveles jerárquicos del grupo. humana, ¿qué características generales consideras que Actividades debe reunir un líder?, ¿qué ventajas y desventajas obtiene el grupo que guía un líder? 1. Visita el gallinero más cercano a tu domicilio e identifica las jerarquías de dominación que tiene el grupo. 4. Elabora una síntesis de esta actividad e intercambia ideas Objetivo
2. Observa las características que presenta la de más alto rango del grupo, la manera como demuestra su jerarquía de dominio así como el comportamiento de los subordinados.
acerca de los resultados con los demás integrantes de tu equipo. Presenten un reporte para exponerlo en grupo, así como sus conclusiones destacando la importancia que esto tiene en la vida cotidiana.
Cooperación en grupo En la organización social de grupos de animales de la misma especie se detectan tipos de cooperación entre sus miembros para protegerse de sus depredadores, para buscar la fuente de alimento o para criar a la descendencia. Por ejemplo, en la organización social de las abejas (apis mellifera) hay un sistema de castas bien definido, donde cada individuo desempeña una actividad de acuerdo con su posición jerárquica, con lo que contribuye a que funcione bien el grupo. La reina se encarga de la función reproductora; durante el vuelo nupcial, se aparea con el zángano y almacena su esperma; cuando fecunda su óvulo con el espermatozoide guardado produce abejas obreras, y cuando el óvulo se desarrolla sin fecundarse (partenogénesis) origina zánganos, los cuales se eliminan después de aparearse con la reina Las obreras tienen función de nodrizas cuando alimentan a la reina, a los zánganos y a las larvas; de obreras domésticas, cuando construyen celdas y limpian la colmena, y como cosechadoras de polen y néctar en la última etapa de su vida.
Figura Fig i ura 3.124 3 124
Las hormigas tienen un alto nivel de organización.
Otro comportamiento de cooperación grupal de las abejas es cuando ejecutan una serie de danzas, con el propósito de comunicar a los demás miembros del grupo el hallazgo de una fuente alimenticia. Sin embargo, con más frecuencia se observa la cooperación grupal entre mamíferos y aves. Por ejemplo, algunos animales carnívoros suelen organizarse en grupos de cacería y obtienen mejores piezas de caza que si fuera en forma individual (fig. 3.125). 179
Figura Fig i ura 3.125 3 125
Cooperación entre animales para sobrevivir.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA A menudo, ciertas aves de rapiña comunican el hallazgo de un animal muerto —que es su fuente de alimento— a los demás miembros de su grupo, por medio de ruidos que emiten; comportamiento que puede compensarse cuando en un futuro el comunicador sea el comunicado. Otras acostumbran avisar a sus compañeros, por medio de sonidos de alarma, de la presencia cercana de los depredadores.
Conducta altruista y recíproca
Figura Fig ura ra 3 3.126 126
Las abejas obreras alimentan a las larvas, a los zánganos y a la reina.
Evaluación formativa Contesta en forma breve las siguientes preguntas: 1. ¿Qué son las feromonas y qué importancia tienen? Explica este proceso químico con ejemplos del comportamiento humano. 2. ¿Por qué para el éxito de la fecundación se requiere una sincronización reproductiva de la hembra y el macho? 3. ¿Qué importancia tiene la relación de pareja y el cuidado de la cría? Destaca los mecanismos que hay para que tenga éxito este tipo de relación. 4. ¿Cómo se relaciona la territorialidad y la jerarquía de dominación?, busca ejemplos relacionados con esta conducta. 5. Explica la forma en que se incrementan los genes del comportamiento altruista en el acervo génico de las poblaciones, según la hipótesis de la selección por parentesco.
En algunos casos de cooperación grupal entre individuos de la misma especie, se observan conductas altruistas, en la que el animal beneficia a otros en su supervivencia o reproducción, aunque para ello tenga pocas posibilidades de resultar beneficiado. Por ejemplo, la primera actividad que desempeñan las abejas obreras en su vida es la de nodriza, porque alimentan a las larvas, a los zánganos y a la reina con miel y polen (fig. 3.126). Con una dieta especial con base en jalea real que secreta por sus glándulas, la nodriza alimenta a la reina como a la larva que se transformará en reina. Esta conducta contribuye a la supervivencia y reproducción de los integrantes de la colonia, particularmente de la futura reina que es hermana de la nodriza, sin que ella pueda reproducirse ya que las obreras son estériles. Otro caso de altruismo es la acción de algunas aves que suelen avisar a los demás miembros de la parvada de la presencia de los depredadores que ponen en riesgo su vida. La conducta altruista se pudiera interpretarse como una posición antagónica a los principios básicos de la teoría evolutiva por selección natural de Charles Darwin, la cual señala que los organismos que mejor se adaptan al ambiente son los que sobreviven y éstos al reproducirse transmiten sus características a sus descendientes; toda vez que los animales de comportamiento altruista tienen pocas posibilidades de sobrevivir y reproducirse y, por lo mismo, su frecuencia génica tendería a disminuir en el acervo genético de su población, ello conduciría también a una reducción del número de individuos de conducta altruista y crecimiento en el número de organismos “egoísta”, situación que no sucede. En 1964, el biólogo británico William D. Hamilton (1936-2000), elaboró la hipótesis de la selección por parentesco como una explicación del caso. Sugiere que los genes del comportamiento altruista no sólo se pueden favorecer por la selección natural cuando se transmiten directamente de padres a hijos, sino también cuando proceden de parientes cercanos; es decir, cuando se favorece la sobrevivencia de otros que sean portadores de los mismos genes y que al reproducirse lo incrementarán en el acervo génico. La conducta altruista recíproca ocurre cuando el animal altruista obtiene un beneficio mediante la ayuda posteriormente, ya sea del mismo animal o de otro. Por ejemplo, en el caso de los animales que advierten a los demás de la presencia de depredadores, esta acción puede retribuirse por algunos de los beneficiados, después.
13. ESPECIES EN PELIGRO La especie humana mantiene relaciones con las plantas y animales desde las primeras civilizaciones. En su vida de nómada, cuando sólo se dedicaba a la pesca, la caza y la recolección de alimentos era un animal más, que para sobrevivir tenía que competir por los mismos recursos con otros animales. Su crecimiento poblacional era muy bajo y el impacto que causaban sus actividades en el ambiente no era de trascendencia. Pero conforme perfeccionó sus instrumentos y estrategias de caza y pesca, adquirió notable 180
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA supremacía sobre sus competidores (fig. 3.127). El descubrimiento de la agricultura y la domesticación de algunas especies de animales contribuyeron al desarrollo social de los primeros grupos humanos, al abandonar su vida nómada para establecerse en un solo lugar y, al mismo tiempo, al iniciarse un incremento demográfico (figs. 3.128 y 129). En etapas sociales posteriores, con el avance tecnológico se presenta una sobreexplotación de diversas especies de animales y plantas o la destrucción de su hábitat, con el propósito de obtener mayor cantidad de recursos para cubrir las necesidades de la población humana que cada día crece más, lo que causa la extinción de un gran número de dichas especies y pone en peligro la existencia de otras (fig. 3.130). Sin embargo, durante la evolución de la vida a través de las diferentes etapas geológicas, una gran mayoría de especies que poblaron la Tierra se extinguió. Los paleontólogos aseguran que en los últimos 500 millones de años han ocurrido cinco episodios de extinción masiva de consecuencias drásticas. Se desconocen las causas que las originan, aunque hay quienes sugieren que pudo deberse a alteraciones climáticas o a cambios ambientales a causa de meteoritos u otros cuerpos del espacio exterior que impactaron sobre la superficie de la Tierra, como lo que se cree se originó la última extinción masiva hace 65 millones de años, entre los límites del Cretácico de la era Mesozoica y el terciario de la Cenozoica, y que pudo ser la consecuencia de la extinción de 50% a 60% de toda la fauna, entre ella los dinosaurios, lo que favoreció la evolución de los mamíferos (fig. 3.131). Actualmente se piensa que la sexta extinción masiva de una gran parte de especies de plantas y animales contemporáneos se inició ya por la acción humana (fig. 3.132). La extinción de una especie ocurre cuando su último individuo se muere, con ello se pierde en forma definitiva la especie y toda la serie de cambios adaptativos que tuvo en su largo proceso de evolución; como sucedió con el dodo o dronte (Raphus cucullatus), un ave de cuerpo grande y de alas pequeñas que le no le permitían volar, que descubrieron los portugueses en la isla Mauricio, cerca de Madagascar, en 1507, al cual exterminaron los colonizadores de la isla en 1685 (fig. 3.133). Otro caso es el del lobo de Tasmania, lobo marsupial o tigre de Tasmania (Thaylacinus cynocephalus); era un carnívoro marsupial parecido a un perro, que se extinguió al desplazarlo el dingo (Canis dingo), un perro salvaje muy feroz que introdujeron los navegantes del sudeste asiático en áreas de su hábitat, y por campañas que emprendieron para su exterminio por considerarlo un depredador de las ovejas, hasta que la declararon extinta en 1986.
Figura 3.127
Los instrumentos de caza brindan al ser humano supremacía entre sus competidores.
Figura Fig i ura 3.128 3 128
La agricultura contribuyó al desarrollo de grandes civilizaciones.
Figura Fig i ura 3.129 3 129
Domesticación de especies.
Figura 3.130
Figura 3.131
Figura 3.132
Figura 3.133
Extinción de especies.
Aún se desconoce la causa de extinción de las primeras especies.
La contaminación ambiental es otro factor que contribuye a la extinción de las especies.
Dodo o dronte.
181
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Cuadro 3.4
Categorías de las especies en peligro.
Categorías
Descripción
Probablemente extinta en el medio silvestre
Especie nativa de México cuyos ejemplares en vida libre dentro del territorio nacional desaparecieron, hasta donde la documentación y los estudios realizados lo prueban y de la cual se conoce la existencia de ejemplares vivos, en confinamiento o fuera del territorio mexicano
Otras especies como el bisonte americano (Bison bison), su población llegó casi al límite del exterminio por su cacería intensiva que hicieron los colonizadores norteamericanos en el siglo pasado; actualmente se protege cierto número de sus individuos en parques nacionales y otras áreas de reserva. Lo mismo sucede con el lobo gris americano (Canis lupus bailey); los pocos miembros de su especie que quedan se les mantiene en áreas naturales protegidas (fig. 3.134). En el cuadro 3.4 se describen las categorías en las que se agrupan las especies en peligro, de acuerdo con la norma NOM-059-SEMARNAT-2001, publicada en el Diario Oficial de la Federación, el 6 de marzo de 2002.
Especies en peligro de extinción
Especies cuyas áreas de distribución o tamaño de sus poblaciones en el territorio nacional disminuyeron drásticamente, lo que pone en riesgo su viabilidad biológica en todo su hábitat natural, debido a factores como la destrucción o modificación drástica del hábitat, aprovechamiento no sustentable, enfermedades o depredación, entre otros. Esta categoría coincide parcialmente con las categorías en “peligro crítico” y en “peligro de extinción” de la clasificación de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN)
Especies amenazadas
Especies o poblaciones de las mismas que podrían llegar a encontrarse en peligro de desaparecer a corto o mediano plazos, si siguen operando los factores que inciden negativamente en su viabilidad, al ocasionar el deterioro o modificación de su hábitat o al disminuir directamente el tamaño de sus poblaciones. Esta categoría coincide parcialmente con la categoría “vulnerable” de la clasificación de la UICN
Los factores directos incluyen las actividades humanas como caza, comercio y extermino de plagas por envenenamiento y trampeo; los indirectos comprenden alteraciones del hábitat natural, que a su vez se subdividen en:
Especie o poblaciones que podrían llegar a encontrarse amenazadas por factores que inciden negativamente en su viabilidad, por lo que se determina la necesidad de propiciar su recuperación y conservación o la recuperación y conservación de poblaciones de especies asociadas. Esta categoría puede incluir a las categorías de menor riesgo de la clasificación de la UICN
d) Extinciones secundarias que se derivan de otras extinciones.
Especie sujeta a protección especial
Causas Son muchas las causas que originan la desaparición de las especies, la mayor parte de ellas se encuentra en relación con las actividades humanas. Los factores que ponen en peligro la existencia de las especies en México, se clasifican como directos e indirectos.
a) Destrucción de la cobertura vegetal b) Contaminación c) Incorporación de especies exóticas
Caza y comercio La caza y el comercio que de manera clandestina se practica en muchos animales silvestres afectan seriamente la supervivencia de las especies (fig. 3.135). Algunos se utilizan como
Figura Fig ura 3 3.134 134
Figura Fig i ura 3 3.135 135
El bisonte americano en peligro de extinción.
La caza es una causa directa de extinción de diversas especies. 182
BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA mascotas, por ejemplo los tucanes, los loros, las guacamayas, los halcones, las ardillas y los monos, y otros se capturan para aprovechar de ellos alguna de sus partes, como los cocodrilos, las víboras, los jaguares, las nutrias y los castores, cuyas pieles tienen gran demanda comercial. La cacería de subsistencia es otra de las causas de la declinación de la fauna silvestre (figs. 3.136 y 3.137).
El exterminio de plagas Las campañas de exterminio de ciertas especies de animales silvestres son acciones de nefastas consecuencias, especialmente la de mamíferos carnívoros como el coyote (Canis latrans) y el lobo mexicano (Canis lupus mexicanus). Estas medidas se adoptaron por considerarlos depredadores del ganado (fig. 3.138).
Figura 3.136
Los elefantes son perseguidos por el marfil de sus colmillos.
Otro factor importante es la aplicación de venenos universales en combate de plagas, ya que éstos no sólo matan las especies plagas, sino también a otras inofensivas como zopilotes, águilas, tejones, zorros y linces.
Destrucción de la cobertura vegetal La deforestación, cualquiera que sea su propósito —aprovechamiento de recursos maderables, conversión a pastizal para la ganadería o la agricultura—, representa la principal causa de la destrucción del hábitat original, situación que contribuye a disminuir las poblaciones de los animales silvestres. La destrucción de extensas áreas arboladas por los incendios forestales es otra de las causas que afectan la biodiversidad (fig. 3.139).
Figura Fig i ura 3.137 3 137
Los jaguares también son felinos en peligro de extinción.
Contaminación El empleo de herbicidas y fertilizantes, así como los desechos industriales y urbanos, contaminan los cuerpos de aguas continentales (ríos, arroyos, lagunas, lagos). Esta alteración influye en la declinación de diversas poblaciones de peces, aves y mamíferos.
Incorporación de especies exóticas La introducción de especies exóticas, sea en forma intencional o no, altera los ecosistemas debido a que éstas presentan ciertas ventajas sobre las nativas al no tener enemigos naturales, lo que propicia el rápido crecimiento de su población, además de que pueden ser depredadoras de las especies nativas. Por ejemplo, la introducción de gatos y cabras en algunas islas del Pacífico ha afectado la vida de la fauna nativa.
Figura 3.138 3 138
Algunos animales son exterminados por considerarlos depredadores.
Extinción secundaria Es consecuencia de otras extinciones. Un ejemplo es la eliminación de los grandes encinos y pinos en la Sierra Madre Occidental, donde anidaba el pájaro carpintero imperial (Campephilus imperialis). Se cree que ésta fue la principal causa de la desaparición de esta ave. Fuente: Óscar Flores Villela y Livia León Paniagua. Extinción de especies en México, UNAM, Destrucción del hábitat, programa universitario de Medio Ambiente,1988, págs. 155-166. Figura 3.139 3 139
La tala inmoderada para cultivos y ganadería reduce el hábitat de especies animales y vegetales. 183
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Cuadro 3.5
Causas que provocan la pérdida de la biodiversidad.
Directas
La caza y el comercio. Por lo general, se practica de manera ilegal para aprovechar de la fauna silvestre especialmente la carne como alimento y la comercialización de la piel. También, las plantas de ornato y ciertas especies de animales se extraen con fines comerciales, lo que pone en riesgo la supervivencia de las especies. El exterminio de plagas. Por medio de campañas de eliminación de ciertas especies de animales silvestres depredadoras del ganado. Así como la aplicación de venenos universales en el combate de plagas, que no sólo exterminan la plaga, sino también a especies inofensivas. Destrucción de la cobertura vegetal. La deforestación y los incendios forestales representan la principal causa de la destrucción del hábitat de las especies y con ello su desaparición. Contaminación. El empleo de herbicidas y fertilizantes, así como desechos industriales y urbanos, contaminan los ríos, arroyos y lagos y con ello ocasionan la desaparición de poblaciones de peces, aves y mamíferos.
Figura 3.140
Los incendios forestales destruyen el hábitat de muchas especies.
Indirectas
Incorporación de especies exóticas. La introducción de especies exóticas representa un peligro para las especies nativas por no tener enemigos naturales, por lo que puede desplazar a las especies que habitan en ese medio. Extinciones secundarias. Se presentan como consecuencia de otras extinciones; por ejemplo, con la destrucción de los bosques también desaparecen las especies de animales que resguardan.
Perspectivas de solución Ante la grave situación de la declinación y extinción de las especies de plantas y animales silvestres, han surgido múltiples y variadas acciones que provienen de organizaciones académicas y sociales, públicas y privadas que fomentan la investigación, apoyan proyectos que tienden a la conservación de la biodiversidad, recopilan datos e informan a la sociedad acerca de las especies en riesgo de exterminio así como las consecuencias que esto representa para la salud ambiental. En México, es de mucha importancia la creación de las áreas naturales protegidas, para conservar la diversidad biológica de partes representativas de ecosistemas naturales terrestres o acuáticas, al mismo tiempo para realizar en ellas la investigación científica que se encausa a la preservación de la diversidad genética de las especies silvestres, particularmente de las endémicas, amenazadas o en peligro de extinción; sin descuidar las actividades recreativas y de divulgación que se llevan a cabo en ellas. El funcionamiento de las áreas naturales protegidas se regula por la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección del Ambiente (publicada en el Diario Oficial de la Federación, el 28 de enero de 1988), y por el Reglamento de áreas naturales protegidas (publicado el 30 de noviembre de 2000). Otra medida que promueve la conservación de las especies es mediante una explotación conservacionista de ellas. Conservar deja de interpretarse como sinónimo de guardar, debe entenderse como la manera racional de obtener los beneficios que los recursos bióticos proporcionan, sin que se llegue al límite de poner en riesgo la existencia de las especies; es decir, mediante un aprovechamiento sostenible que satisfaga las necesidades del presente, que no comprometan la capacidad para que las futuras generaciones puedan satisfacer sus propias necesidades.
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BIOLOGÍA DE PLANTAS, HONGOS Y ANIMALES, Y LA ETOLOGÍA También, la creación de bancos de germoplasma es una alternativa conservacionista, la cual consiste en preservar la información genética de variedades de plantas cultivadas y de razas de ganado tradicionales por medio de cualquier material, como semillas, tejidos vegetales, células reproductoras (espermatozoides y óvulos), para su reproducción cuando sea necesaria. Se sabe de casos en que se recurre a las semillas almacenadas para recuperar especies vegetales ya extintas. Una de las desventajas de este procedimiento es que las semillas tienen un determinado tiempo de vida y se requiere reponerlas periódicamente. Esto se logra por medio de nuevos cultivos de estas variedades, para así obtener nuevas semillas. Además, los bancos de germoplasma conservan un potencial de variedades genéticas de distintas especies de plantas y animales que son de gran valor en las investigaciones biotecnológicas. Es indudable que en los últimos años ha habido un importante cambio en la actitud de las personas, particularmente en niños y jóvenes, ante la conservación de la Naturaleza; quizá sea una reacción del acelerado deterioro que sufre el medio ambiente. Hace algunas décadas, era muy frecuente que todo mundo tratara de eliminar cualquier insecto, rana o pájaro que se encontrara a su alcance; actualmente, la situación cambió mucho: en una gran parte de la población, surgió la tendencia de respeto hacia todo ser vivo. Seguramente contribuyen mucho a ello, los conocimientos ecológicos que se adquieren en instituciones educativas así como las informaciones que divulgan los distintos medios como los diarios, la radio, la televisión y el cine. Sin embargo, hay que reconocer que falta mucho por hacer acerca de la tarea de conservar la biodiversidad.
Evaluación formativa Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿Qué puedes realizar para combatir las principales causas de extinción de las especies? Desarrolla tu propuesta y junto con tus compañeros elabora un periódico mural para ponerlo en su escuela. Elaboren algunos folletos o volantes con la información y difúndanlos en la comunidad estudiantil y fuera de ella. 2. ¿Qué medidas propones para conservar la biodiversidad de tu región? Elijan un medio de difusión para externar sus propuestas.
LA BIOLOGÍA Y TU COMUNIDAD VISITA UN ÁREA NATURAL PROTEGIDA DE TU LOCALIDAD O COMUNIDAD Objetivo Identificar la biodiversidad representativa del medio y los proyectos encaminados a proteger las especies en peligro de extinción. Actividades 1. En equipo, soliciten al personal del área el apoyo necesario para realizar las investigaciones: ¿Cuáles son las especies que se conservan en esa área? ¿Cuáles son las que se encuentran en peligro de extinción? ¿Qué proyectos se desarrollan para la conservación de las especies en peligro? 2. Intercambien ideas con respecto a los proyectos investigados y con la participación de todos los integrantes del equipo redacten un reporte de la visita y elaboren un collage para explicarlo ante el grupo.
185
Evaluación sumativa Parte I Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿Qué ventajas obtuvieron las plantas que se trasladaron del medio acuático al terrestre con el desarrollo del sistema vascular?
2. ¿Cuál ha sido la función de la semilla en las plantas terrestres?
3. ¿Por qué las plantas con flores son las más diversificadas y abundantes, a pesar de que su evolución fue más reciente?
4. ¿Cuáles son las principales características diferenciales entre las monocotiledóneas y las dicotiledóneas?
Parte II Selecciona la letra de la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis. 1. Modelo que explica el ascenso del agua por el xilema. a) Presión radicular
b) Cohesión-tensión
c) Transporte pasivo
c) Tracción por evaporación
b) Cohesión y adhesión
d) Tracción por transpiración
3. Una de sus ventajas es contribuir a la formación del humus. a)) Los fertilizantes inorgánicos
c)) Los abonos industriales
b)) Los fertilizantes orgánicos
d)) Los abonos extraídos en minas
4. Nombre de la asociación mutualista entre algunos hongos y las raíces de las plantas. a) Nódulos
b) Micorrizas
c) Parasitismo
b) Material de origen
c) El relieve
b) Organismos
c) Clima
b) Microelementos
c) Cofactores
b) Hidrostática
c) Hidratación
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)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
d) Macroelementos
8. Técnica que se emplea para cultivar plantas en agua con minerales disueltos y aire. a) Hidroponia
(
d) Topografía
7. Nombre que en conjunto reciben el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, calcio y magnesio. a) Micronutrientes
)
d) Material secundario
6. Principal factor que determina el tipo de suelo y la velocidad de su formación. a) Material parental
(
d) Humus
5. Se forma de minerales que se obtienen de la desintegración de rocas donde se incluye materia orgánica, gases y agua. a) El suelo
)
d) Transporte activo
2. Modelo que explica el transporte de los azúcares en el floema de una de una fuente a un vertedero. a) Flujo por presión
(
d) Hidrosoluble
9. Es un tallo rastrero que forma yemas de donde se desarrollan plantas individuales. a) Rizomas
b) Bulbo
c) Estolón
a) De la antera al estigma
c) Del filamento al estilo
b) De la antera al ovario
d)) De la antera al tubo polínico
Parte III Relaciona ambas columnas, escribiendo en cada paréntesis el número que corresponda. (
) Nombre que en su conjunto reciben los pétalos de una flor.
1. Fotoperiodicidad
(
) Son las partes que tiene el carpelo o pistilo.
2. No florece
(
) Proceso en el que un gameto masculino se fusiona con la ovocélula y otro con dos núcleos polares.
3. Florece
(
) Respuesta de la planta a la duración del día y la noche.
(
) Hormona que induce la latencia de las semillas e interviene en la respuesta de la planta a la sequía.
(
) Respuesta de la planta de día corto cuando se interrumpe con la luz de una lámpara su periodo de oscuridad.
4. Ecológica 5. Económica
) Son ritmos internos que se repiten alrededor de 24 horas como la apertura y cierre de estomas en la planta.
(
) Es el crecimiento de los tallos hacia la luz.
(
) Sustancias que la industria química farmacéutica aprovecha de las plantas para la fabricación de medicamentos.
(
) Tipo de importancia que tiene la acción degradadora de la materia orgánica que desempeñan los hongos.
6. Corola 7. Principio activo 8. Estigma, estilo y ovario 9. Antera y filamento 10. Fototropismo positivo 11. Fototactismo positivo
Parte IV Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿Qué diferencias estructurales y fisiológicas encuentras entre la esponja y la hidra?
2. ¿Qué avance estructural tienen los platelmintos con respecto a los cnidarios?
3. ¿Cuáles son los nematodos parásitos de los humanos y cómo evitar la parasitosis?
187
)
(
)
d) Tubérculo
10. La polinización consiste en el transporte del polen.
(
(
12. Doble fecundación 13. Ciclos circadianos 14. Ácido abscísico
4. ¿Cuáles son los moluscos y los crustáceos más explotados y qué medidas propones para su aprovechamiento sostenible?
5. ¿Por qué los insectos son los animales más exitosos del planeta?
Parte V Relaciona ambas columnas escribiendo en cada paréntesis el número de la respuesta correcta (
) Características que como deuterostomos comparten equinodermos y cordados.
1. Agnatos
(
) Clase de moluscos que emplean la forma de propulsión a chorro para huir de sus enemigos.
2. Extremidades óseas y respiración pulmonar
(
) Oligoqueto que contribuye a la formación y fertilización del suelo.
3. Los dinosaurios
(
) Phylum cuyos integrantes en alguna etapa de la vida poseen surcos branquiales faringeos.
4. Mantenimiento y protección del embrión
(
) Peces sin mandíbulas que fueron los primeros vertebrados aparecidos en el Ordovícico.
5. Cordados
(
) Característica evolutiva de los peces que permitió el cambio de su nutrición de filtradores de partículas a depredadores.
(
) Se consideran los precursores de los vertebrados terrestres.
(
) Fueron las principales características adaptativas que permitieron la vida terrestre de los animales.
(
(
6. Cefalópodos 7. Peces pulmonados 8. Peces de aletas con radio
) Importancia del huevo amniótico en la adaptación de los reptiles a la vida terrestre.
9. Lombriz de tierra 10. Desarrollo de mandíbulas 11. Porífera 12. La segmentación es radial
) Por testimonio de fósiles, es probable que hayan sido los ancestros de las aves.
Parte VI Anota en cada paréntesis la letra que te de la respuesta correcta 1. Tienen cavidad digestiva con una sola abertura. a) Lombriz de tierra y saltamontes
c) Nematodos y moluscos
b) Hidra y planaria
d) Artrópodos y equinodermos
2. Clase de vertebrado cuya digestión mecánica se efectúa en la molleja. a) Peces
b) Anfibios
c) Reptiles
b) Saltamontes
c) Hidra
188
)
(
)
(
)
d) Aves
3. Su sistema respiratorio se compone de tubos ramificados que se llaman tráqueas que conducen el oxígeno a las células y transporte el bióxido de carbono que se desecha. a) Lombriz de tierra
(
d) Planaria
4. Durante su etapa larvaria respiran por branquias y en la edad adulta su respiración es pulmonar y cutánea. a) Las tortugas
c) Los peces cartilaginosos
b) Las ranas
d) Los peces óseos
5. Es la dirección en que fluye el aire en su respiración: sacos aéreos posteriores, pulmones, sacos aéreos anteriores. a) Peces
b) Anfibios
c) Reptiles
b) Bronquios
c) Bronquiolos
c) La lombriz de tierra
b) La planaria
d) El saltamontes
8. Es la secuencia del flujo de la orina para su excreción. a) Riñones, ureteros, vejiga, uretra
c) Ureteros, riñones, vejiga, uretra
b) Riñones, uretra, vejiga, ureteros
d) Uretra, riñones, vejiga, ureteros
9. Son de sexos separados, de fecundación interna y ovíparos; generalmente las hembras sólo desarrollan el ovario izquierdo. a) Peces
b) Anfibios
c) Reptiles
b) Reptiles
d) Aves
d) Mamíferos
Parte VII A continuación redacta en forma breve la importancia ecológica, económica y social de los animales de tu región.
189
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
d) Aves
10. Son de fecundación interna y vivíparos por lo general. a) Anfibios
(
d) Alveolos
7. Las estructuras que participan en la eliminación de sus desechos metabólicos se llaman protonefridios cuya terminación interna son células “flamígeras”. a) La hidra
)
d) Aves
6. Pequeñas cavidades de los pulmones donde se realiza el intercambio de gases. a) Tráqueas
(
Parte VIII Contesta en forma breve las preguntas siguientes: 1. ¿Qué importancia tiene la conducta en la vida de los animales?
2. ¿Cómo se modifica el comportamiento?
3. ¿Qué importancia tiene el comportamiento innato y cómo influye en la vida de la fauna silvestre?
4. ¿Cuál ha sido la aportación de B. Frederic Skinner en el aprendizaje por ensayo y error de los animales, y en qué actividades de la vida animal se aplicó esto?
5. ¿Qué importancia tienen los tipos de respuestas al ambiente de los animales (selección de hábitat, obtención de alimento y evasión de depredadores) en la sobrevivencia de las especies?
Parte IX Relaciona ambas columnas; escribe en cada paréntesis el número de la respuesta correcta. (
) Resulta de la interacción entre la información genética heredada y la influencia ambiental
1. Territorialidad
(
) Comportamiento innato en el que se acercan o se alejan del origen del estímulo
2. Impronta
(
) Por este proceso, la descendencia puede reconocer como madre a otro animal si lo asocia en su periodo sensitivo
3. Jerarquía
(
) Es una manera como los animales evaden a sus depredadores al presentar semejanza con otros o con aspecto de su entorno
(
) Ciclos anuales que realizan los animales para evitar los cambios climáticos desfavorables o para reproducirse
(
) Sustancias químicas que a manera de mensaje liberan los animales, sea para delimitar su territorio o para atraer a la pareja
(
(
) Comportamiento de los animales que viven en grupo al defender el área que ocupan de la intromisión de otros ) Se establece entre los miembros de un grupo cuando surge el triunfador de una serie de riñas y con ello se reducen las confrontaciones
(
) Hipótesis que sugiere que los genes de la conducta altruista también se favorecens cuando proceden de parientes cercanos
(
) Es una de las principales causas de la extinción de las especies
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4. Taxia 5. Alteraciones en el hábitat 6. Hormonas 7. Feromonas 8. La selección por parentesco 9. Cinesis 10. Migración 11. Mimetismo 12. El comportamiento animal
EJERCICIO DE COEVALUACIÓN Nombre del alumno: ____________________________________________
Puntuación: _______
Instrucciones 1. Resolver el siguiente problema a) Elaborar un ensayo donde se argumente la importancia de los recursos y servicios que las plantas proporcionan a la sociedad humana.
b) El ensayo manuscrito debe explicar de manera clara la terminología del tema y sin faltas de ortografía.
2. Logística a) Distribuir la duración de una sesión de clases para ocupar 60% del tiempo en resolver el problema y el 40% restante para la coevaluación.
c) Intercambiar las hojas de solución entre tus compañeros, de manera aleatoria o siguiendo las instrucciones del profesor.
b) Utiliza el libro de texto y dos hojas de papel tamaño carta, en el encabezado de la primera hoja escribe tus datos y a continuación lo solicitado en el inciso a del punto 1.
d) Efectuar la coevaluación de acuerdo con los criterios que se especifican en el punto 3.
3. Criterios para coevaluar La coevaluación se desarrolla cuando los alumnos del grupo en su conjunto participan de manera simultánea en la evaluación del aprendizaje logrado. Este tipo de evaluación permite: • Fomentar la participación, la reflexión y la emisión de críticas constructivas en la comparación del nivel del aprendizaje de los compañeros de grupo. • Emitir juicios valorativos en el trabajo de todos de manera responsable. • Desarrollar actitudes que fomenten los logros personales y de grupo.
Para establecer una puntuación y posteriormente argumentarla en la sección de comentarios se utilizará el siguiente criterio: Elementos
Ensayo
10
Cumplió con las especificaciones solicitadas. En el ensayo refleja su punto de vista personal y sus ideas invitan a la reflexión
5
1
Puntos
Cumplió con algunas de las especificaciones y lo que manifiesta no invita a la reflexión
No cumplió con las especificaciones
No tiene faltas de ortografía
Tiene faltas de ortografía
Empleó la terminología adecuada
No empleó la terminología adecuada
Contenido
Demostró dominio de los conocimientos básicos del tema
Demostró conocer el tema
No conoce el tema
Comparación entre el trabajo evaluado y el trabajo del evaluador
La calidad del trabajo evaluado supera la calidad del trabajo desarrollado por el evaluador
La calidad del trabajo evaluado es similar a la calidad del trabajo desarrollado por el evaluador
La calidad del trabajo es inferior a la calidad del trabajo desarrollado por el evaluador Total
Comentarios: ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________
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G L O S A R I O Abscisión. Caída de hojas, flores o frutos de una planta. Acervo génico. Llamado también patrimonio genético, es el conjunto de genes heredado por una especie en su proceso evolutivo. Adaptación. La capacidad que les confieren los cambios heredados a los organismos para aumentar sus posibilidades de supervivencia y reproducción en las condiciones de su ambiente. Alergeno. Antígeno de naturaleza diversa que normalmente no es reconocido por el sistema inmune como extraño o potencialmente peligroso, pero que en ciertos individuos es capaz de inducir una respuesta inmune muy severa (hiperreacción o hipersensibilidad) asociada a la anafilaxia o alergia. Ejemplo de estos alergenos son algunos alimentos como la leche o el pescado y también otras moléculas inofensivas como algunas tintas, el polen y el polvo. Alergia. Conocida también como anafilaxia, es uno tipo de hipersensibilidad generada ante antígenos comunes y normalmente inofensivos como el polvo, la leche, el pescado, etc. Alternancia de generaciones. Ciclo de vida sexual en el cual una fase haploide (n) alterna con otra diploide (2n). Anafilotoxina y anafilaxia. Algunas fracciones del complemento funcionan como anafilotoxina, ya que poseen capacidad anafiláctica, es decir, que inducen a células cebadas (mastocitos) y a los basófilos a que degranulen (liberen el contenido de sus gránulos) y con esto se consiga, entre otros efectos, aumentar la respuesta inflamatoria. El efecto de estas anafilotoxinas durante la respuesta inflamatoria puede variar en grado de intensidad, desde una simple inflamación hasta casos con una severa respuesta alérgica que conduzca al paciente a un estado llamado de choque anafiláctico y pueda llegar a la muerte. Lo anterior se llega a observar en los casos severos de alergia, ataques de abejas o por intoxicaciones, entre otras causas. Anfipática. Que tiene una región hidrofófica y otra hidrofílica, como la molécula de fosfolípido. 192
Anticodón. Grupo de tres nucleótidos (Triplete) presente en el ARN de transferencia (ARNt). El anticodón se unirá de forma complementaria al codón del ARN mensajero (ARNm) durante el proceso de traducción en la síntesis proteica. Existen varios tipos de ARNt, cada uno unido a un aminoácido específico y con un anticodón determinado de tal suerte que la secuencia del ARNm determinará el orden de acoplamiento de anticodones y, por tanto, la secuencia de aminoácidos de la proteína a formar. Antiporte. Proteína de membrana que trasporta en direcciones opuestas y al mismo tiempo dos iones o moléculas diferentes a través de una membrana. Apareamiento. Unión de individuos unisexuales con el propósito de reproducirse. APC (Antigen Presenting Cell) o células presentadoras de antígenos. A este grupo pertenecen los macrófagos, las células dendríticas y algunos linfocitos B; estas células capturan al antígeno y lo presentan por medio de una molécula denominada MHC-II al linfocito TCD4 o también llamado TH (T Helper o T Cooperador) el cual determinará y dirigirá el tipo de respuesta inmune que se tenga que generar. Apoenzima. Es la enzima o la parte proteica de ésta, que carece de cofactores o coenzimas y por tanto es inactiva. Para que una enzima sea activa (holoenzima) requiere que a la apoenzima se le unan la coenzima o cofactor respectivos. Archipiélago. Conjunto de islas. Astrocitos. Tipo de célula glial del sistema nervioso central, dispone de largas prolongaciones ramificadas. Actúa de soporte estructural de las neuronas y ayuda a regular la composición química e iónica de su ambiente extracelular. Autoinmune. Alteración de la reacción inmunológica donde se genera una respuesta contra antígenos propios, generando así un estado de enfermedad tal que compromete la vida. Ejemplo de esta alteración es la enfermedad de Lupus Eritematoso, donde se da una
GLOSARIO masiva destrucción de tejido sano reconocido como tejido extraño. Autótrofos. Organismos con capacidad de sintetizar moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas. Por ejemplo, los vegetales. Axón. Prolongación larga de una neurona, capaz de conducir impulsos nerviosos desde el cuerpo celular a otra neurona o a una célula efectora. Con mucha frecuencia se encuentra cubierta de una vaina de mielina. Biodiversidad. Es sinónimo de diversidad biológica, suele abarcar a todas las especies de organismos, variedad de ecosistemas de las cuales forman parte y la información genética que heredan. Bivalvos. Moluscos con concha dividida en dos partes llamadas valvas; ejemplo, las ostras, las almejas y los mejillones. Blastocele. Cavidad llena de líquido de la blástula. Blastocisto. Etapa de blástula en el desarrollo de un mamífero, consiste en una esfera hueca con una masa celular interna que va a dar origen al embrión. Blastómeros. Células producidas durante la segmentación del cigoto. Caja Skinner. Inventado por el doctor F. Skinner, donde a través de estímulo, repetición y premio logró que una rata aprendiera a mover una palanca que le proporcionaba una pequeña cantidad de alimento. Capas blastodérmicas. Capas de tejido embrionario. endodermo, mesodermo y ectodermo. Caprino. Subfamilia de los rumiantes a la que pertenecen las cabras. Caracteres ligados al sexo. Características determinadas por genes localizados en los cromosomas sexuales, especialmente en el cromosoma X. Carbohidrato. Compuesto orgánico formado de carbono, hidrógeno y oxígeno. Se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Son fuente de energía de los organismos. Carcinógeno. Agente físico, químico o biológico capaz de inducir alguna alteración en el ADN, ya sea a nivel de secuencia o cromosómico, cuyo efecto se verá 193
reflejado como el daño a nivel celular o tisular (de tejido) caracterizado por un alto índice mitótico, dicho cambio es conocido comúnmente como cáncer o proceso neoplásico. Casta. Individuos de una colonia con un tipo morfológico particular o un grupo de edad, o que poseen un comportamiento especial. Células blanco. Son células que responden a las señales específicas que reciben por medio de su proteína receptora. Células de Schwann. Tipo de célula glial que forma la vaina de mielina alrededor de los axones en el sistema nervioso periférico. Células epitelioides. Son macrófagos presentes en el proceso inflamatorio crónico que se han transformado en células semejantes a las de un epitelio, con menor capacidad fagocítica pero que cumplen la importante función de imitar el proceso infeccioso y evitar así la propagación de los microorganismos. Células gliales. Son células de soporte del sistema nervioso. Incluye los oligodendrocitos y astrocitos del sistema nervioso central y las células de Schwann del sistema nervioso periférico. Celulosa. Polisacárido estructural formado por moléculas de glucosa, principal componente de la pared celular de las plantas. Choque anafiláctico. Estado crítico de la anfilaxia en el cual no hay pérdida del volumen sanguíneo por salida (como en el caso de una hemorragia) pero si hay pérdida de volumen por “arresto” de líquido a nivel intersticial. Esto se da por un fuerte efecto de la histamina y otras sustancias provenientes de la degranulación de eosinófilos y basófilos en las alergias. Cigoto. Célula diploide que resulta de la fusión de los gametos masculino y femenino durante la fecundación. Citoesqueleto. Red de filamentos proteicos del citoplasma de las células eucariontes, compuesta básicamente por microtúbulos, microfilamentos de actina y filamentos intermedios. Además de sostener la estructura de la célula participa en sus movimientos dirigidos.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Citoplasma. Material contenida en la célula que no incluye al núcleo. Cloaca. Cavidad de salida común de los sistemas digestivo, excretor y reproductor de muchos animales. Coanocitos. Células flageladas con una corona o collar citoplasmático alrededor del flagelo, presentes en las esponjas. Coanoflagelados. Protozoarios flagelados. Poseen un solo flagelo, cuya base la circunda un collar. Por lo general son sésiles, tienen como hábitat los medios de agua dulce. Codón. Secuencia de tres nucleótidos (triplete) presente en el ARN mensajero (ARNm) que interactúa de forma complementaria con el anticodón presente en el ARN de transferencia. Coenzima. Compuesto orgánico que interactúa con la apoenzima (estructura proteica de la enzima inactiva) transformando a esta en holoenzima o catalíticamente activa. Ejemplo de coenzima vitamina B1, B2, B3, B12, etcétera. Cofactor. Ión metálico que se une a la apoenzima transformandola en holoenzima. Ejemplo de estos iones son el hierro, cobre, magnesio y manganeso. La participación del cofactor con la apoenzima puede estar dirigido a forma parte del centro catalítico de la enzima, o interactuando entre el sustrato y la enzima, o estabilizando la conformación de la propia enzima. Colágena. Proteína sintetizada por células del tejido conectivo principalmente por fibroblastos y que forma parte de la matriz extracelular. En el proceso inflamatorio crónico los fibroblastos sintetizan colágena para delimitar el sitio de infección. Comportamiento. Son las acciones que en forma específica ejecutan los organismos como respuesta a estímulos internos o externos. Compuestos orgánicos. Sustancias caracterizadas por contener carbono en sus moléculas, unido a otro elemento como hidrógeno, nitrógeno, azufre o fósforo. Comunidad. Conjunto de poblaciones que comparten en el mismo ambiente y mantienen importantes relaciones. 194
Condicionamiento. Proceso por el que un organismo modifica su comportamiento al relacionar una respuesta a un nuevo estímulo. Constitución genética. Se emplea para referirse al material genético heredado por el organismo. Copular. Acción de establecer contacto sexual. Cortejo. Toda acción establecida entre machos y hembras que propicia el apareamiento. Cruzamiento. Apareamiento de individuos de diferentes razas, cepas o especies con el propósito de obtener híbridos. Dendritas. Prolongaciones ramificadas de una neurona, reciben impulsos de otras neuronas y los transmiten hacia el cuerpo celular. Desmosomas. Unión célula – célula sostenida por densas placas de proteínas en las que se insertan filamentos intermedios que mantienen la adhesión entre las células contiguas. Despolarización de la membrana. Cambio en el potencial a través de la membrana plasmática de una célula en reposo, que puede producir un potencial de acción. Determinante antigénico o epitopo. Región de un antígeno que es principalmente reconocida por el sistema inmune. Deuteróstomos. Animales que en el embrión en desarrollo el blastóporo forma el ano y después en otro lugar se forma la boca. Por ejemplo, los equinodermos y los cordados. Diapedesis. Fenómeno de salida y migración celular (principalmente leucocitos) a través de las paredes endoteliales generalmente a nivel de pequeños capilar. Aquí los pequeños vasos sanguíneos se vuelven permeables y permiten la fuga de células hacia el espacio intersticial, este fenómeno es característico de la inflamación. Difusión. Movimiento neto de partículas (átomos, moléculas o iónes) a favor de su gradiente de concentración (de una zona de mayor concentración a otra de menor concentración), debido a movimientos aleato-
GLOSARIO rios de partículas individuales, tendiente a su distribución uniforme en un medio.
ganismo al citoplasma del macrófago para su final destrucción.
Difusión facilitada. Transporte de moléculas o iónes mediante una proteína transportadora específica de la membrana, a favor de un gradiente de concentración.
Enzimas. Son proteínas que aceleran la velocidad de las reacciones químicas específicas de la célula.
Digestión extracelular. Transformación del alimento en sustancias de fácil absorción por acción de las enzimas digestivas. Digestión intracelular. Degradación de las partículas alimenticias que se incorporan al interior de la célula. La realizan los organismos menos complejos. Diploide. Célula o individuo que posee un juego completo de cromosomas pares homólogos (2n). Discernir. Distinguir, se emplea como sinónimo de percibir. Dogma central. Conjunto de mecanismos por el cual el ADN sirve de molde para su propia replicación y para transcribir su información en ARN. A su vez el ARN sirve de molde para la traducción de las proteínas. Ecosistema. Unidad ecológica en la que interactúan la comunidad y medio físico, formada por la comunidad de organismos en interacción con el medio físico.
Enzimas alostéricas. Enzimas que poseen un sitio de regulación distinto al sitio activo. A dicho sitio regulador se le una regulador alostérico, el cual inducirá cambios conformacionales reversibles en la enzima de tal suerte que esta puede incrementar o disminuir su actividad dependiendo del regulador y de la enzima. Eritroblastosis fetal. Enfermedad producida en el feto y el recién nacido debida a una respuesta inmune de la madre contra los glóbulos rojos del producto. Esta condición aparece en hijos de madre Rh(-) y padre Rh(+); la madre durante el primer embarazo no reaccionará contra el antígeno Rh(+) del producto heredado del padre; sin embargo, al momento del parto o cesárea la sangre del producto pudiera llegar a contactar con la de la madre, de tal suerte que se genere una respuesta inmune contra el factor Rh(+) del segundo producto. Espécimen. Es la muestra, ejemplar o modelo que se estudia.
Ectodermo. Capa germinal más externa del embrión animal. Da origen al tejido epidérmico, sistema nervioso y receptores sensoriales.
Espora. Unidad de reproducción que puede permanecer encapsulada y resistir condiciones desfavorables. Participa en la reproducción asexual o sexual.
Endocitosis. Incorporación de material a la célula mediante la invaginación de la membrana plasmática, que se desprende y se convierte en vacuolas citoplasmáticas.
Estereotipado. Lo que se repite de igual forma.
Endodermo. Es la capa germinal interna de un embrión animal, origina el epitelio que reviste el tubo digestivo, las estructuras anexas y la mayor parte de las vías respiratorias. Engolfamiento. Parte de la fagocitosis donde los pseudópodos formados por las proyecciones de la membrana citoplasmática del macrófago encierran al microorganismo a fagocitar, formando así un golfo (a manera de golfo marino) o vacuola delimitada por la propia membrana del macrófago. Posteriormente sucederá la introducción de la vacuola con el microor195
Estéril. Carente de la capacidad de reproducirse sexualmente. Esteroides. Grupo de lípidos que tienen sus carbonos dispuestos en cuatro anillos unidos. Por ejemplo, el colesterol y las hormonas sexuales. Estímulo. Cualquier agente externo o interno que influya en las funciones de un organismo y propicie una respuesta. Eucariotas. Célula con núcleo verdadero y organelos rodeados por membrana. Existen dos tipos de uniones de adherencia las Zonas adherentes o Bandas de Unión las cuales las proteínas transmembranales se unen en su lado citoplasmático
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA con microfilamentos de actina., y los Desmosomas o Máculas adherentes, en estas se unen la proteína transmembranal con filamentos intermedios del citoesqueleto.
Fitocromo. Pigmento de las plantas que es sensible a la luz y participa en muchas sus reacciones.
Exocitosis. Proceso por el cual moléculas citoplasmáticas son empaquetadas en vesículas y transportadas a la superficie celular, donde la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana citoplasmática, liberando su contenido al exterior.
Flagelos. Filamentos parecidos a un látigo, que emplean los microorganismos acuáticos y el espermatozoide como medio de locomoción.
Exóticas. Término que se aplica a especies extrañas que pertenecen a un ecosistema distinto. Experimentación. Consiste en la repetición del fenómeno de estudio en condiciones especiales, controlando las variables involucradas en el proceso. Lo que conduce a la confirmación o rechazo de la hipótesis. Explosión cámbrica. Con este nombre se le conoce a la aparición de muchos grupos de animales nuevos en el registro paleontológico del más antiguo periodo geológico de la Era Paleozoica, de donde se cree descienden todos los grupos de la fauna moderna. Fecundación. Fusión de los núcleos de dos gametos haploides y forman un cigoto diploide. Fenotipo. Son los rasgos físicos observables en el individuo, que resulta de la interacción de su genotipo y del ambiente donde se desarrollan. Feromona. Sustancia química que funciona como mensaje, secretada por un organismo para otro de la misma especie. Fibroblastos. Células fusiformes o con forma de huso (instrumento alargado de tejido artesanal) que sintetizan las proteínas de la matriz extracelular además de participar en la inflamación crónica formando un entramado de colágena que delimita el proceso infeccioso. Filogenia. Historia evolutiva de un grupo de organismos. Presentada con mucha frecuencia como un árbol filogenético.
Fitoplancton. Algas microscópicas que viven flotando en lagos y océanos.
Foliolos. Partes separadas en las que se divide la lámina de una hoja compuesta. Por ejemplo, rosal, nogal, trébol. Forraje. Vegetales que se emplean como alimento de los animales. Fosfolípidos. Molécula de lípido que participa en la estructura de las membranas biológicas. Se compone de dos ácidos grasos y un grupo que contiene fósforo, unidos a glicerol. Fósiles. Restos de organismos o señales que indican su presencia en alguna etapa geológica pasada, generalmente conservados en los estratos de la Tierra. Fotoperiodo. Es la respuesta de los organismos ante las fluctuaciones de iluminación y oscuridad, mecanismo por el que miden los cambios estacionales. Fotosíntesis. Proceso por el cual plantas, algas y algunas bacterias transforman la energía lumínica en energía química, como los carbohidratos a partir de agua y bióxido de carbono. Frecuencia génica. La incidencia con que un gen se manifiesta en una población. Fusiforme. Que tiene forma de huso (instrumento que se maneja en el hilado a mano). Ganglios nerviosos. En vertebrados, son cúmulos de cuerpos de células nerviosas localizados fuera del sistema nervioso central. Gástrula. Etapa del desarrollo embrionario durante la cual se forman las tres capas germinales.
Fisiología. Rama biológica que estudia la función de las células, de los órganos o de los organismos.
Gemación. Reproducción asexual en la que a partir de una pequeña parte que se desprende del cuerpo del progenitor se desarrolla el nuevo individuo.
Fisiológicos. Procesos que involucran las funciones metabólicas de los seres vivos.
Gen. Segmento de ADN, portador de la información para sintetizar una molécula de proteína o de ARN.
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GLOSARIO Generación esporofita. Es la etapa diploide del ciclo de vida de la planta, produce por meiosis esporas haploides que se convierten en gametofitos multicelulares haploides. Generación gametofita. Etapa haploide del ciclo vital de la planta, produce gametos, cuando un gameto masculino se fusiona con uno femenino se forma el cigoto diploide que se desarrolla en un esporofito multicelular diploide.
Hipotónico. Cualquier medio de baja concentración de partículas de soluto. Holoenzimas. Enzima completa (con coenzima o cofactor) y funcional Homeostasis. Es la tendencia de los organismos a mantener en equilibrio sus condiciones internas.
Genes. Segmento del ADN que se encarga de especificar un polipéptido.
Huevo amniótico. Huevo que contiene el amnios, la membrana que forma un saco lleno de líquido en el cual se desarrollo el embrión de reptiles, aves y mamíferos.
Genética. Disciplina biológica que estudia la organización de los genes en la célula y la manera en que funcionan.
Incubación. Tiempo durante el cual las aves calientan los huevos colocándose sobre ellos para la eclosión de sus crías.
Germoplasma. Material vegetal o animal como semillas y tejidos empleada para la propagación de plantas de cultivo y células reproductoras de razas de ganado con fines de conservación.
Información genética. Es el mensaje contenido en el ADN de los genes, donde una secuencia específica de bases corresponde con una información genética específica.
Glicoproteínas. Proteínas que contienen unidades de carbohidratos unidas por enlaces covalentes.
Inhibir. Acción de reprimir un proceso.
Gónadas. Órganos sexuales. ovarios y testículos. Gradiente de concentración. Cambio en la densidad de una sustancia química de un sitio a otro. Haploide. Célula o individuo que sólo dispone de un miembro de cada par de cromosomas homólogos (n). Heterótrofo. Organismo que sin tener la capacidad de producir sus alimentos los obtiene ya elaborados; por ejemplo, los hongos y los animales.
Innato. Comportamiento instintivo, heredado. Inocular. Introducir agentes patógenos o sus toxinas en el organismo. Isotónico. Nombre de las soluciones con concentración igual de partículas de soluto. Larvas. Forma juvenil de vida libre del ciclo biológico de algunos animales y que difiere estructuralmente de su forma adulta.
Hidrofílica. Es la región polar de una molécula que interactúa con el agua.
Latencia. Periodo aparentemente inactivo de los vegetales en el que el crecimiento de una planta completa o de un determinado órgano queda temporalmente interrumpido ante las condiciones desfavorables del ambiente.
Hidrofóbica. Parte no polar de la molécula que no forma interacciones con el agua.
Latitud. Es la distancia medida en grados entre cualquier punto de la superficie terrestre y el Ecuador.
Hipertónico. Se refiere a la solución con mayor concentración de partículas de soluto.
Mamíferos marsupiales. Son mamíferos no placentarios, como el canguro, sus crías nacen en estado muy inmaduro y prosiguen su desarrollo en el marsupio, que es una bolsa que la madre tiene en su abdomen para alimentar a sus crías.
Híbrido. Organismo que se origina del cruce entre individuos genéticamente diferentes.
Hipótesis. Es la suposición o la explicación tentativa acerca del origen de un problema científico, la cual requiere ser comprobada. 197
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA Meiosis. Proceso de dos divisiones nucleares sucesivas de la célula diploide (2n), durante las cuales produce cuatro núcleos haploides. Membrana citoplasmática o plasmática. Membrana que envuelve y delimita a la célula, es selectivamente permeable, a través de ella pasan los materiales que la célula requiere o desecha. Mesodermo. Capa germinal intermedia entre el ectodermo y el endodermo del embrión animal. Origina el tejido conectivo, músculo, hueso, sistema circulatorio, excretor y otros tejidos.
Muda o edicsis. Es la separación y reposición de la cubierta externa. Multipotenciales. Son las pequeñas reservas de células que disponen los órganos y tejidos para su reparación. Por ejemplo, las células de la médula ósea que conservan la capacidad de producir las células sanguíneas. Néctar. Sustancia química azucarada de las flores. Nefridio. Órgano tubular excretor de muchos invertebrados.
Mesoglea. Es la sustancia gelatinosa que se encuentra entre la capa interna y la externa de células, en animales diploblásticos como la medusa.
Neurotransmisor. Molécula señal liberada por la fibra nerviosa presináptica en el espacio sináptico para propagar la señal a la fibra postsináptica en la transmisión de impulsos de una sinapsis.
Metabolismo. Todos los procesos químicos que ocurren dentro de una célula o un organismo.
Nodriza. Ama de cría.
MHC (Major Histocompatibly complex). Proteína encargada de la presentación de antígenos. Existen dos clases de esta molécula la MHC-I expresada por casi todas las células del organismo y encargada de presentar antígenos propios y en su caso antígenos virales o de células enfermas. La clase II (MHC-II) expresada por las células APC para presentar antígenos extraños a los linfocitos TC4. Micrografía o microfotografía. Fotografía tomada con microscopio. Mimetismo. Es la semejanza superficial en forma o color que adquieren unos organismos con respecto a otros o con objetos de su entorno para ocultarse. Mitosis. División del núcleo celular mediante la cual se duplican los cromosomas y se generan dos núcleos hijos idénticos, cada uno con el mismo número de cromosomas que el núcleo progenitor. Monofilético. Grupo que se deriva del mismo antepasado común. Mórula. Fase del embrión en la que presenta un aspecto parecido a la mora. Consta aproximadamente de 16 a 64 blastómeros. Mosaico fluido. Modelo de la membrana plasmática, representado como un mosaico de células, de proteínas inmersas en una bicapa de fosfolípidos. 198
Nucleoproteínas. Biomoléculas formadas de proteínas y ácidos nucleicos. Oligodendrocitos. Tipo de célula glial del sistema nervioso central, además de servir de soporte a los axones, sintetizan una vaina de mielina a su alrededor. Oncogén. Gen con secuencia nucleotídica alterada que conduce a una mutación. También existen oncogenes que propician una activación de otros genes normales denominados protoncogenes. El resultado final de cualquiera de estos dos eventos será la generación de células con índice mitótico alterado conocidas también como cancerosas o neoplásicas. Origen abiótico. Se refiere a una procedencia de materiales sin vida. Ósmosis. Desplazamiento de molécula de agua a través de una membrana semipermeable (permite el paso del agua pero no de la molécula de soluto) desde una región de mayor concentración de agua (solución hipotónica) a otra de menor concentración de agua (solución hipertónica). Ostracodermos. Vertebrados pisciformes sin mandíbulas, con coraza cefálica de placas óseas que se extinguieron a finales del Devónico. Ovíparos. Animales que ponen huevos donde se desarrollan los embriones.
GLOSARIO Ovovivíparos. Su tipo de desarrollo consiste en que los hijos eclosionan de huevos incubados dentro del cuerpo materno. Paleozoica. Era geológica que abarca desde hace 590 millones de años hasta hace 230 millones de años. Partenogénesis. Tipo de reproducción asexual por el cual el nuevo organismo se desarrolla a partir del gameto femenino no fecundado. Patrimonio genético. Es el conjunto de genes heredado por una especie en su proceso evolutivo. Peciolo. Parte similar al tallo que une la hoja con la rama o el tallo. Perforinas. Proteínas producidas por células citotóxicas ante la detección de células extrañas o portadoras de antígenos extraños (células infectadas por virus o cancerosas). Las perforinas producirán perforaciones en la membrana citoplasmática de la célula blanco. Pesticida. Sustancia que extermina plagas. pH. Escala de 0 a 14 que se emplea para determinar el grado de acidez o alcalinidad de un medio. El pH 7 es neutro, menor de 7 es ácido y mayor de 7 alcalino. Pisciforme. Que tiene forma de pez. Placodermos. Peces extintos con mandíbulas y armadura cefálica simétrica. Plancton. Lo forman los organismos que viven suspendidos en el agua, por lo general son microscópicos, pueden ser fitoplancton o zooplancton. Plasmólisis. Estrechez del citoplasma por su pérdida de agua, generalmente por que las células se encuentre en medio hipertónico.
impulso nervioso y en las células musculares la contracción. Potencial de reposo. Es la diferencia de voltaje (aproximadamente –70 milivoltios) a través de la membrana plasmática de un axón en reposo, debido a un ligero exceso de iones positivos (cationes) en un lado e iones negativos (aniones) sobre el otro. Todas las células del organismo poseen esa diferencia de carga eléctrica. Precopulatorio. Antes de la cópula. Progenie. La descendencia. Propagación clonal. Reproducción celular a partir de una célula madre. Este fenómeno se puede observar entre otros casos, en los linfocitos B que posterior a la activación antigénica maduran y se reproducen. Proteína de transporte. Proteína de membrana que se une a un soluto y lo transfiere a través de la membrana por cambios en su conformación. Proteína receptora. Proteína que se fija a una molécula señal y transmite un mensaje al interior de la célula. Algunos receptores se localizan dentro de la célula y otros en la superficie externa de la membrana plasmática. Proteínas de canales. Permiten el paso de iones por la membrana a través de los poros que atraviesan la bicapa lipídica. Proteínas transmembranales. Son integrales de la membrana plasmática, poseen regiones hidrofóbicas e hidrofílicas. Las hidrofóbicas se ubican en el interior de la membrana y las hidrofílicas se encuentran en contacto con el agua de ambos lados de la membrana.
Pluripotenciales. Nombre que reciben las células madre que tienen la capacidad de desarrollar muchos y distintos tejidos, más no al individuo completo. Por ejemplo, las células de las capas germinales.
Protista. Reino de eucariotas al que pertenecen los protozoarios, las algas y los protistas micoides.
Polifilético. Grupo que evolucionó de dos más ancestros diferentes.
Protozoarios. Organismos unicelulares protistas que incluye flagelados, amibas, foraminíferos, ciliados, esporozoarios.
Potencial de acción. Cambio transitorio en el potencial eléctrico que se propaga por la membrana plasmática de las células excitables. En las neuronas conduce el 199
Protonefridios. Órganos excretores formados por células flama o flamígera de los platelmintos.
Pupa. Es la etapa siguiente a la larval en el ciclo de vida de los insectos. Durante ella el insecto permanece in-
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA móvil y no se alimenta, generalmente se encuentra dentro de un capullo. La etapa pupal termina con la última muda del insecto y su salida como imago (adulto). Rádula. Órgano que tiene la mayoría de los moluscos en su cavidad bucal; es una cinta con dientes que le sirven para raspar el material que emplean como alimento. Reflejo. Es la respuesta innata e involuntaria que los organismos dan a un estímulo. Regiones tropicales. Comprende las zonas ubicadas entre los trópicos de Cáncer y Capricornio. Respuesta inmune celular. Respuesta de defensa específica caracterizada por la participación activa de macrófagos, previamente ocurre la presentación de antígenos y la activación de linfocitos TCD4 tipo TH1. Segundo mensajero. Molécula intracelular que envía un mensaje al interior de la célula como respuesta a una señal extracelular, por lo general de la unión de una hormona con un receptor en la superficie celular. Por ejemplo, AMP cíclico. Selección natural. Mecanismo evolutivo propuesto por Charles Darwin, basada en que las condiciones del ambiente determinan ciertas adaptaciones favorables en algunos organismos para su sobrevivencia y reproducción. De esta manera las características más exitosas se incrementan en la población. Cuando este mecanismo produce cambios en las frecuencias alélicas del acervo genético de la población ocurre la evolución. Sésiles. Organismos inmóviles que permanecen fijos a una supeficie.
señal es conducida por un neurotransmisor, en una sinapsis eléctrica el impulso se produce a través de la conexión entre los citoplasmas de las dos células. Síntesis. Proceso por el cual los organismos forman una sustancia más compleja a partir de sustancias sencillas. Síntesis biológica. Proceso por el cual las células producen moléculas biológicas. Sistema nervioso central. En los vertebrados está formado por el encéfalo y la médula espinal. Solutos. Moléculas disueltas en un líquido. Solvente. Líquido que disuelve los solutos. Soma. Es la parte principal de la neurona, donde se localiza el núcleo y los organelos celulares. Taxia. Reacción de un organismo cuando se desplaza hacia el estímulo (positivo) o en sentido inverso a él (negativo). Taxonomía. Rama de la sistemática que se encarga de ordenar y clasificar a los organismos. Tecnología. Estudio de los procesos que se emplean en las distintas ramas industriales. Terapia génica. Nueva tecnología para combatir las enfermedades humanas (principalmente) basada en el uso de células o tejidos genéticamente modificados. Muchas de estas enfermedades son de origen genético o cromosómico y de carácter heredable. Territorialidad. Comportamiento que se ejecuta por la defensa de un espacio. Topografía. La disposición del relieve de un terreno.
Setas. Cuerpo que desarrollan las especies de hongos superiores con su micelio semejante a un tallo llamado estípite y en la parte superior una estructura de forma de sombrilla.
Totipotenciales. Calificativo que se le asigna a las células madre embrionarias por su capacidad de aportar la información necesaria para el desarrollo de un organismo completo.
Simporte. Proteína de membrana que transporta dos tipos de solutos a través de una membrana en la misma dirección.
Traducción. Proceso por el cual se produce en los ribosomas un polipéptido, cuya secuencia de aminoácidos es dirigida por una cadena de ARN mensajero durante la síntesis de proteína.
Sinapsis. Unión entre dos neuronas o entre una neurona y otra célula excitable, a través de la cual se transmite el impulso nervioso. En una sinapsis química la 200
Transcripción. Proceso por el cual es sintetizado el ARN a partir de la secuencia de nucleótidos del ADN.
GLOSARIO Transgénicos. Organismos a los que se les ha incorporado genes de organismos de especie diferente. Transpiración. Pérdida de agua a través de la superficie aérea de la planta. Transporte activo. Desplazamiento de una molécula a través de una membrana con gasto de energía. Transporte pasivo. Desplazamiento de una molécula a través de una membrana sin que haya gasto de energía. Trilobites. Artrópodos marinos de cuerpo ovalado y plano, dividido a lo largo en tres lóbulos. Abundaron en el periodo Cámbrico y de la Era Paleozoica. Trofoblasto. Es la capa celular externa de un bastocisto que da origen al corion, en el desarrollo de mamíferos placentarios. Túbulos de Maphighi. Órgano excretor de muchos artrópodos. Turgencia. Condición de distensión celular que resulta de la entrada de mucha agua, haciendo que el citoplasma se comprima contra la pared celular. Ultrasónico. Que emite sonido de frecuencia vibratoria muy elevada y por lo mismo, resulta imperceptible para el oído humano. Uniones comunicantes. Son uno de los tres tipos de uniones entre células epiteliales. Las uniones comunicantes unen a dos células por medio un complejo de seis proteínas llamadas conexones. Estos conexo-
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nes atraviesan por completo la membrana de las dos células a manera de poro o canal permitiendo la comunicación entre ambas. Uniones de adherencia. Son uno de los tres tipos de uniones entre células epiteliales. Las uniones de adherencia unen a dos células por medio de glicoproteínas transmembranales, es decir proteínas que atraviesan la membrana de una célula para contactar con las proteínas transmembranales de la otra célula. Estas proteínas en su lado citoplasmático contactan con otras proteínas intracelulares. Uniones de oclusión. Son uno de los tres tipos de uniones entre células epiteliales. Las uniones de oclusión unen a dos células por medio de la formación de una banda constituida por proteínas transmembranales llamadas ocludinas Variabilidad genética. Son variaciones producidas por mutaciones y en especies de fecundación cruzada gran parte de la variabilidad también se debe a la recombinación que se produce por la segregación al azar de los cromosomas durante la meiosis, así como también por medio del entrecruzamiento en este mismo proceso. Vivíparos. Los hijos nacen del cuerpo materno donde se desarrollaron. Zimógeno. Enzima inactiva o precursor de enzima. Zooplancton. Lo forman los animales que viven flotando en la superficie del agua. Por ejemplo, los pequeños crustáceos.
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