Tema 2. Objeto de estudio de la Biología.
•Características generales de los sistemas biológicos.
¿Qué es la vida?
La tendencia humana por conocer y explicar lo que le rodea está determinada por condiciones diversas, como pueden ser las explicaciones dadas en el momento histórico concreto, así como las condiciones sociales, políticas y religiosas vigentes. La historia de la ciencia es apasionante, pues nos revela momentos de aparente calma, así como de profundas revoluciones y cambios. El concepto actual de vida, inscrito en ese torbellino de aportaciones y refutación de ideas, típicos del pensamiento científico, ha pasado por explicaciones de tipo espiritual y mecanicista antes de llegar a lo actual.
En el apartado anterior (Tema 1), hemos discutido que el establecimiento de la biología como ciencia hubo de desechar algunas visiones equivocadas como el vitalismo y la teleología cósmica, que distorsionaban grandemente el principal objeto de estudio de la biología: la vida.
Así, los hombres de ciencia tienen la tendencia muy justificada, a definir los fenómenos, procesos y hechos de la naturaleza: combustión, reacción química o fotosíntesis, son conceptos de los que con facilidad podemos investigar su definición; pero ocasionalmente nos encontramos ante conceptos que son indefinibles por sí mismos: espacio, energía, tiempo o vida son algunos de estos indefinibles a los que entonces, buscamos sus características para cumplir nuestra intención de conocerlos. En el caso de la vida, hemos detectado varios aspectos que nos permiten caracterizarla:
• Organización
• Capacidad para regular su medio interno (Homeostasis)
• Capacidad de responder a estímulos (Irritabilidad)
• Reproducción
• Movimiento
A continuación se explica cada una de las características anteriores:
Organización.
Los sistemas vivos son el producto de una organización específica. En el interior de cada ser vivo se realizan diversas actividades al mismo tiempo, las cuales están vinculadas unas con otras. Asimismo todos los seres vivos poseen una determinada y compleja organización (ver figura 1), según la teoría celular esta organización tiene como característica que todo ser vivo se encuentra conformado por células.
Capacidad para regular su medio interno (Homeostasis).
Tomando en cuenta la tendencia de las estructuras biológicas a deteriorarse en ausencia de nutrientes, regeneración y reparación, los organismos vivos están determinados a mantener un control sobre su estructura física y sus funciones vitales, denominada homeostasis; para lograr esto se utiliza energía, misma que se obtiene a partir de los nutrientes.
Algunos de los factores regulados son:
Termorregulación: Se denomina termorregulación a la regulación de la temperatura del ser vivo, con lo cual se mantiene la temperatura más apropiada para el funcionamiento de las moléculas (enzimas) implicadas en el mantenimiento de la vida.
Osmorregulación: Se denomina osmorregulación a la regulación de la concentración de agua y de iones en el interior del organismo. En este proceso participa el intercambio de líquidos, iones y otras sustancias entre el exterior y el interior del ser vivo.
Capacidad de responder a estímulos (Irritabilidad).
Cuando hablamos de la reacción a ciertos estímulos: sonidos, olores, etc. del medio ambiente hacemos referencia a la función de respuesta de los seres vivos a los estímulos. De manera general los seres vivos se adaptan, generan respuestas y cambios frente a modificaciones en el medio ambiente, además responden a cambios físicos y químicos, tanto en el medio externo como en el interno (ver figura 2).
Por lo tanto la respuesta a los estímulos es una característica de todos los seres vivos, esto les permite adaptarse a los cambios ambientales de temperatura, humedad, intensidad de luz, presión atmosférica, olor, sed, hambre, entre otras sensaciones, para mantenerse homeoestables.
Metabolismo.
El metabolismo se define como la suma de reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en un organismo. La comprensión de este concepto va de la mano con consideraciones de tipo termodinámico, ya que hay dos cosas acerca de los seres vivos que debemos tener claro:
i) Para mantenerse vivo, un ser necesita de caudal constante de materia y energía; este puede ser muy bajo si la actividad es mínima, pero siempre debe existir. Por ejemplo, cualquier mamífero en sus actividades normales de búsqueda de alimento, de pareja, cuidado de las crías y recorrido de su territorio, requiere un flujo cuantioso de materia y energía. Algunos murciélagos, cuando llega el invierno y las condiciones de temperatura y alimento se vuelven muy críticas, entran en un estado letárgico en que su temperatura corporal, sus ritmos respiratorio y cardiaco decaen y permanecen así durante casi tres meses. Para ello, se preparan en verano y otoño, alimentándose vorazmente; pero aun así, consumen energía, reservas alimenticias almacenadas en forma de grasa, y oxígeno (ver figura 3).
ii) Todo ser vivo debe enfrentar constantemente a la entropía, que es un principio termodinámico que, para expresarlo de la manera más sencilla, diríamos que todo sistema organizado tiende al desorden; tiende a igualarse, energéticamente, al medio ambiente en el que se encuentra. De modo que no solo debe consumir materia y energía para cumplir sus funciones, sino que debe darse mantenimiento a sí mismo, ya que sus componentes decaen, se degradan y se destruyen.
Por lo tanto, un ser, para mantenerse vivo, debe tener un flujo constante de materia y energía para construirse a sí mismo (crecer), darse mantenimiento y cumplir con sus demás funciones (reproducción en todas las especies y búsqueda de alimento, de pareja y cuidado de las crías en los animales). En los animales, incluidos los humanos, el nivel metabólico mínimo es cuando dormimos, y al momento de relajación justo antes de caer en el sueño, se le llama metabolismo basal.
El metabolismo, por ser el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en un ser viviente, cae en la clasificación termodinámica de las reacciones químicas, que se dividen en exoenergéticas y endoenergéticas, o exergónicas y endergónicas. Las reacciones exergónicas son aquéllas que cuando ocurren, liberan energía y por lo general son reacciones catalíticas en las que por lo menos uno de los participantes decae radicalmente en su nivel energético, rompiéndose además en dos o más componentes. Por el contrario, las reacciones endergónicas requieren de un flujo energético para realizarse; en este caso, por lo general son reacciones de síntesis en las que los componentes tienden a agregarse y volverse más complejos.
De modo que los organismos realizan ambos tipos de reacciones, de degradación o catálisis y de síntesis. Esto permite dividir al metabolismo en dos fases o tipos: Catabolismo y Anabolismo.
Catabolismo. Este puede ser definido como la suma de reacciones de degradación que realiza un ser vivo. Quizá la reacción más significativa de esta fase del metabolismo sea la respiración, ya que como puedes ver, la glucosa es rota y libera energía en forma de adenosín trifosfato (ATP), que la célula usará para realizar sus funciones:
Anabolismo. Esta fase puede ser definida como la suma de reacciones de síntesis que realiza un ser vivo. En este caso, la síntesis proteica y la replicación de los ácidos nucleicos son excelentes ejemplos, pero la fotosíntesis representa muy bien lo que es una reacción anabólica:
Con harta frecuencia los procesos metabólicos ocurren por series de reacciones, llamadas reacciones en cascada. De hecho, ni la respiración ni la fotosíntesis ocurren en una sola reacción, sino que cada una implica varias reacciones. El estudio del metabolismo es bastante complejo, ya que por ejemplo, puede estudiarse la ruta metabólica de la síntesis de penicilina por los hongos del género Penicillium, o la ruta metabólica de la producción de etanol por la levadura Saccharomyces cereviceae.
Reproducción.
Los seres vivos poseen la capacidad de reproducirse o multiplicarse. Por medio de la reproducción se producen nuevos individuos semejantes a sus progenitores y con ello se perpetúa la especie.
Existen dos tipos de reproducción:
Reproducción asexual: En este tipo de reproducción un solo organismo es capaz de originar otros individuos, que son genéticamente copias exactas del progenitor, por ejemplo la reproducción de una bacteria es la división en dos bacterias idénticas genéticamente. Por lo tanto no hay intercambio de material genético, es decir los seres vivos nuevos mantienen las características de su progenitor.
Reproducción sexual: En este tipo de reproducción se necesita la intervención de dos individuos de sexos diferentes. Los descendientes serán resultado de la combinación del DNA de ambos progenitores, por lo tanto son genéticamente distintos a los progenitores y en general también distintos entre sí. La reproducción sexual es la más frecuente en los organismos vivos multicelulares, en el proceso reproductivo participan dos células haploides originadas por meiosis, los gametos, que se unirán mediante la fecundación (ver figura 4).
Movimiento.
El movimiento es el desplazamiento que utilizan los seres vivos para diferentes actividades. Se entiende como movimiento a los tropismos de las plantas, e incluso al desplazamiento de distintas estructuras a lo largo del citoplasma.
•Niveles de organización biológica.
La Teoría de Sistemas, planteada inicialmente por el biólogo de origen austríaco Bertalanffy y enriquecida por Maturana y otros, ha ejercido una poderosa influencia en la Biología, pues a partir de ella, se ha logrado establecer el concepto de Niveles de Organización, que trasciende tanto al mundo inanimado, como al mundo vivo. Tenemos así los niveles físico – químicos (inanimados) y los Niveles de Organización Biológicos, que a su vez pueden ser anatómicos y ecológicos:
Tabla 1. Niveles de Organización
A continuación se describen los niveles de organización:
Nivel subatómico: Este nivel se encuentra compuesto por las partículas subatómicas que forman los elementos químicos, siendo los tres más conocidos: protones, neutrones y electrones.
Nivel atómico: En el nivel atómico se identifica como su nombre lo indica a los átomos que forman a los seres vivos (elementos biogénicos). Los elementos biogénicos pueden ser agrupados en tres categorías:
- Elementos biogénicos primarios, que tienen una función estructural: CHONPS. Estos seis elementos dan origen al 96% de la materia viva seca;
- Elementos biogénicos secundarios indispensables, que tienen función estructural y catalítica. Entre los principales podemos encontrar: Na, K, Mg, Ca y Fe. Algunos actúan como iones que permiten mantener ciertas condiciones en el interior celular, así como favorecer la transmisión de estímulos eléctricos;
- Y finalmente los oligoelementos o elementos variables que se encuentran en algunos organismos y tienen función catalítica: B, Br, Cu, F y Mn
Nivel molecular: Dentro de esta jerarquía encontramos a las moléculas formadas por la agrupación de átomos (elementos biogénicos). A las biomoléculas o moléculas orgánicas las podemos agrupar en dos categorías: inorgánicos (agua, sales minerales, iones, gases) y orgánicos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
- En este nivel también debemos agrupar las macromoléculas y los virus. Las primeras resultan de la unión de monómeros (aminoácidos, nucleótidos, etc.) y los segundos son la unión de proteínas con ácidos nucleicos. Cabe mencionar que en este nivel también podemos agrupar a las macromoléculas y a los virus.
Nivel celular: En este nivel se encuentra a la célula, la cual es la más pequeña unidad estructural de los seres vivos, cada célula posee un complejo soporte físico-químico para cumplir sus funciones hereditarias y otro sistema físico-químico que le permite adquirir y transformar la energía. Existen dos tipos de organizaciones celulares: la eucariota que origina los reinos Protoctista, Fungi, Plantae y Animalia, y la procariota que da origen a los dominios Archeobacteria y Eubacteria.
Nivel colonial: Las colonias resultan de la no separación de las células hijas después de la mitosis (tipo de división celular). En los casos más avanzados, podemos ver una ligera división del trabajo, generándose organismos como los Hidrozoos y Antozoos.
Nivel de Psudotejidos: Otro tipo de estructuras que resultan de la no separación de las células hijas, pero formando largos filamentos, son los pseudotejidos. Es de esta manera que se forman diversos tipos de hongos (Reino Fungi).
Niveles de Tejido, Órgano, Aparato y Sistema: Estas jerarquías dan origen a los organismos Pluricelulares, constituidos por diversas formas celulares que surgen de la diferenciación y especialización celular, originando distintos niveles de complejidad tales como tejidos, órganos, aparatos y sistemas.
- Los tejidos son agrupaciones celulares de origen y forma parecida, que realizan una determinada función, un ejemplo de esto es el tejido muscular cardíaco.
- Los órganos son agrupaciones de tejidos diferentes que realizan una determinada función, como ejemplo de esto tenemos al corazón.
- Los aparatos y sistemas son conjuntos de células, tejidos y órganos, que están organizados para realizar una determinada función. Difieren en que en los aparato encontramos una diversidad de tejidos, mientras que en los sistemas predomina un solo tipo de tejido. Ejemplo de aparato: digestivo; ejemplo de sistema: circulatorio.
Nivel de individuo: En el nivel de individuo existen una o más células caracterizadas por un único tipo de información codificada en su DNA. Puede ser unicelular, multicelular o pluricelular.
Nivel de población: la población se define como un grupo de organismos interfértiles, que coexisten en tiempo y espacio. Ejemplos de esto, pueden ser un grupo de estrellas de mar de la especie Pisaster ochraceus; o una manada de elefantes (Loxodonta africana). La población tiene propiedades llamadas emergentes debido a que surgen en ese nivel de organización, y de las cuáles carece el nivel inmediato inferior tales como densidad, proporción de edades, índices de natalidad y mortalidad, así como emigración e inmigración.
Nivel de comunidad: Se define como el conjunto de poblaciones que coexisten en tiempo y espacio. Un ejemplo pueden ser las comunidades desérticas, las cuales pueden estar constituidas por conejos, víboras, ratones y plantas como los cactus, magueyes y cirios. La comunidad también tiene propiedades emergentes, como pueden ser: diversidad de especies, dominancia, forma de crecimiento y estructura, abundancia relativa y estructura trófica.
Nivel de ecosistema: El concepto de ecosistema es aún más amplio que el de comunidad porque un ecosistema incluye, además de la comunidad, el ambiente no vivo, con todas las características de clima, temperatura, sustancias químicas presentes, condiciones geológicas, etc. El ecosistema estudia las relaciones que mantienen entre sí los seres vivos que componen la comunidad, pero también las relaciones con los factores no vivos.
Nivel de bioma: Es una zona de vida dentro del globo terrestre o más precisamente un tipo principal de hábitat en el que la vegetación dominante comprende algunos tipos característicos que reflejan las tolerancias del ambiente y a la que se vinculan determinadas comunidades animales.
Es lógico que encontremos biomas acuáticos y continentales. Los primeros podrán subdividirse a su vez en lacustres o palustres (correspondientes a las lagunas y lagos), fluviales (ríos) y marinos (mares y océanos). En tierra firme podemos reconocer biomas específicos: al bosque, la tundra, el desierto, la pradera, la estepa y la selva.
Nivel de biosfera: Todos los ecosistemas del mundo se combinan para formar un nivel de organización llamado biosfera, que es la suma total de todos los lugares físicos en los cuales viven los organismos. La biosfera es la capa de la tierra de alrededor de 22 kilómetros, que va desde los límites superiores de la atmósfera hasta las profundidades de las trincheras oceánicas. Si comparamos la tierra con una manzana, la biosfera sería el equivalente en grosor a la cáscara, y toda la vida se desarrolla en esa delgada capa.