Biología – Forma y función de los animales

Biología – Forma y función de los animales
(Sesión 17)
Sesión 17: Forma y diversidad en animales (C. 31.2-31.4, 40.1)
Los animales son organismos pluricelulares, eucariotas y heterótrofos con tejidos que
se desarrollan a partir de las capas embrionarias.
Podemos basarnos, generalmente, en cinco criterios básicos para definir formalmente el concepto
de animal:
1. Los animales son organismos pluricelulares y heterótrofos que se alimentan de otros
organismos.
2. Las células de los animales carecen de pared celular. El cuerpo de los animales se sustenta
sobre la base de un complejo de proteínas estructurales, especialmente el colágeno,
además de otras uniones intercelulares que incluyen a desmosomas, uniones estrechas y
uniones de hendidura, también formadas por proteínas estructurales.
3. En las células animales existen 2 especializaciones que no se encuentran en otros
organismos multicelulares, que son las células musculares y las nerviosas, organizadas en
el tejido muscular y nervioso respectivamente. Las células nerviosas son las conductoras
de impulsos nerviosos y las celulares musculares están implicadas en el movimiento del
organismo.
4. La mayoría de los animales se reproducen sexualmente, siendo la fase diploide la
dominante del ciclo. En la mayoría de las especies animales una célula espermática
flagelada fertiliza un huevo inmóvil. El zigoto formado después de la fertilización se divide
por mitosis dando lugar a la formación de un complejo pluricelular, hueco en su interior,
denominado blástula. El proceso de gastrulación que sufre la blástula forma la gástrula,
compuesta por capas de tejido embrionario a partir de los que se desarrollarán las
diferentes partes del individuo.
Algunos animales se desarrollan a adulto a través de las fases descritas, mientras que otros
pasan por un/os estadio/s larvario/s anterior/es. Una larva es una fase, sexualmente inmadura,
distinta del adulto, que eventualmente pueden sufrir metamorfosis, y cuyo resultado es la
transformación en adulto.
Los animales muestran una familia de genes, conocidos como Hox genes, exclusiva del grupo y
que regulan la expresión de otros genes. La presencia de este conjunto de genes en animales
sugiere que estos han evolucionado a partir de la línea que dio lugar a los animales.
La historia de animales podría abarcar más de mil millones de años.
El antepasado común de los animales vivió en el periodo comprendido entre los 800 y 1.200
millones de años, siendo, probablemente, un protista colonial flagelado muy parecido a los
actuales coanoflagelados.
La evidencia fósil de la evolución animal se analizar a lo largo de 4 eras geológicas:
•
Era neoproterozoica: los primeros fósiles aceptados de animales tienen solo 575 millones
de años y son conocidos en su conjunto como fauna de Ediacara denominada así por las
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colinas de Ediacara en Australia, donde fueron descubiertas.
•
Era Paleozoica: se produce un fenómeno conocido como explosión Cámbrica (entre 542 y
525 millones de años atrás) en la que aparecen las primeras formas de animales con
esqueletos fuertemente mineralizados. Esta Era es dominada por peces y anfibios. Existen
varias hipótesis sobre la causa de la explosión cámbrica que no son mutuamente
excluyente. Algunas sugieren que las nuevas relaciones entre depredador y presa
generaron diversidad por selección natural. Otras se centran en la elevación del oxígeno
atmosférico precedente a la explosión cámbrica: con más oxígenos disponible, surgió la
posibilidad de la existencia de organismos con mayores tasas metabólicas y mayor tamaño
corporal. También hay hipótesis relacionadas con el gen Hox, que sostiene que la
evolución en el complejo de dicho gen dio flexibilidad en el desarrollo que condujo a
variaciones en la morfología.
•
Era Mesozoica: pocos nuevos planes estructurales se originaron entre los animales. En los
océanos, los primeros corales se formaron en esta época, mientras que en tierra las aves,
pterosaurios, dinosaurios y los primeros mamíferos dominan los ecosistemas mesozoicos.
•
Era Cenozoica: se produce una vasta diversificación en el seno de los insectos y de las
plantas con flor (Angiospermas) y se producen extinciones de animales terrestres y
marinos (léase grandes dinosaurios no voladores y reptiles marinos). Otro grupo que se
diversificó bastante desde el inicio del Cenozoico fue el de los mamíferos (tanto herbívoros
como carnívoros), que ocupó una gran cantidad de los nichos ecológicos desocupados. El
clima global gradualmente se enfrió a lo largo de la era desencadenando cambios
importantes en muchas estirpes animales, adaptándose a otros medios.
Los animales pueden ser caracterizados por “Planes corporales”.
Los zoólogos caracterizan la diversidad de los animales por características generales de la
morfología y el desarrollo.
Se denomina grado (categoría) a un grupo de especies que muestran el mismo nivel de
complejidad organizativa.
El grupo de rasgos morfológicos y de desarrollo que definen un grado, generalmente está
integrado en un todo funcional denominado grupo corporal, cuyas características principales son:
•
Simetría: los animales pueden clasificarse de acuerdo a la simetría de sus cuerpos (o la
ausencia de ésta). Hay animales que carecen de simetría, como las esponjas. Otros, como
las anémonas tienen una simetría radial, y otros una simetría bilateral. Un animal bilateral
tiene una parte dorsal y otra ventral, así como una parte anterior (cabeza) y otra posterior
(cola). Ligado a la simetría bilateral es el proceso de cefalización en el que se produce la
concentración de la red sensorial en la parte anterior del animal. El proceso de cefalización
incluye el desarrollo de un sistema nervioso central concentrado en la cabeza y que se
extiende a la cola a través de un cordón nervioso longitudinal. La simetría de un animal
generalmente esta ligada a su estilo de vida, que los equipa para enfrentarse al ambiente
igualmente bien desde todos los lados.
•
Tejidos: los planes corporales en animales también varían según la organización de los
tejidos. Los verdaderos tejidos se componen de células especializadas que se encuentran
aisladas de otros tejidos. En este sentido, en el reino animal cabe destacar que las
esponjas carecen de verdaderos tejidos; el embrión del resto de animales aparece
segmentado en capas embrionarias, producto del proceso de gastrulación. Las capas
germinales de tejido embrionario formarán los tejidos y órganos del individuo. Los animales
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con sólo dos capas germinales (por ejemplo, cnidarios) se denominan diploblásticos, y
poseen Ectodermo y Endodermo, mientras que los animales con tres capas germinales se
denominan triploblásticos, y tienen Ectodermo, Endodermo y Mesodermo.
•
Cavidades corporales: algunos animales triblásticos poseen una cavidad corporal, un
espacio con líquido que separa al aparato digestivo de la pared corporal externa. Esta
cavidad es también conocida como celoma. Los animales que poseen un verdadero
celoma se conocen como celomados. Algunos animales triblásticos tienen una cavidad
formada a partir del blastocele en vez del mesodermo, y se denominan pseudocelomados.
Un tercer grupo carece de celoma, y son conocidos como acelomados (tienen un cuerpo
sólido sin una cavidad corporal).
Protostomados y deuterostomados: la mayoría de los animales pueden ser clasificados según
experimenten una o dos formas de desarrollo embrionario, diferenciándose los protostomados y
deuterostomados. Hay 3 características que distinguen estas formas:
•
Segmentación: muchos protostomados muestran una segmentación espiral, en los cuales
los planos de división celular son diagonales al eje vertical del embrión. Por su parte, los
deuterostomados muestran, o bien división radial o indeterminada. En esta última, cada
célula del embrión inicial tiene la capacidad de desarrollarse en un embrión completo.
•
Formación de celoma: inicialmente y en la gastrulación, el tubo digestivo de un embrión se
desarrolla como una cavidad, el arquenteron. En los protostomados, el celoma se forma a
partir de divisiones en el mesodermo (desarrollo por esquizocelia). En los
deuterostomados, el celoma se forma a partir de evaginaciones del arquenteron (desarrollo
pro enterocelia)
•
Destino del blastoporo: la tercera diferencia entre protostomados y deuterostomados se
establece en el destino de la apertura del arquenteron, denominado como blastoporo. En
los protostomados el destino del blastoporo es formar la boca mientras que en los
deuterostomados es formar el ano. En la parte opuesta del blastoporo una segunda
abertura forma el ano en protostomados y la boca en deuterostomados.
Las hipótesis principales coinciden en los hechos más importantes del árbol filogenético
de animales.
Actualmente los zoólogos reconocen alrededor de 35 filos animales. Las relaciones entre estos
filos son objeto de debate. Las hipótesis acerca de las relaciones filogenéticas entre estos grupos
se establecen a través de su estudio morfológico o de la sistemática molecular.
El análisis del registro fósil de animales y la intensificación del estudio de los grupos menos
conocidos de animales ayudan a distinguir entre rasgos ancestrales y derivados.
La identificación de clados (entendidos éstos como grupos de taxones que comparten entre ellos y
con su ancestro un rasgo derivado) permite construir el árbol filogenético que relaciona entre si los
diferentes clados.
Las relaciones filogenéticas entre los clados pueden ser testadas mediante hipótesis basadas en
el análisis sistemático de los caracteres morfológicos o de estudios moleculares. Ambos tipos de
hipótesis coinciden en algunos aspectos y difieren en otros. Las coincidencias principales se
pueden resumir en los siguientes aspectos:
1. Los animales tienen un ancestro común.
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2. El grupo de las esponjas se encuentran en la base del árbol filogenético de animales, no
presentando verdaderos tejidos. Los tejidos evolucionaron después de que las esponjas se
separaran de otros animales.
3. Eumetazoa es un clado de animales con tejidos verdaderos. Todos los animales
exceptuando a las esponjas, perteneces a un clado de eumetazoos (animales verdaderos).
4. La mayor parte de grupos de animales pertenecen al clado Bilateria. La simetría bilateral
es un carácter derivado compartido que ayuda a definir al clado (y grado) que contiene la
mayoría de los filos animales (denominados bilaterios).
5. Los vertebrados y algunos otros filos pertenecen al clado Deuterostomia.
Desacuerdo respecto a los bilaterios: la diferencia más trascendente entre estas dos hipótesis
radica en las relaciones entre los bilaterios. La primera divide a los bilaterios en dos clados
(deuterostomados y protostomados), mientras que las evidencias moleculares asignan dos grupos
hermanos a los protostomados: los ecdisozoos y los lofotrocozoos.
Formas diversas y desafíos comunes:
A pesar de su gran diversidad, los animales, que habitan la mayor parte de la biosfera, deben
afrontar una serie de problemas comunes, entre los que se encuentra la obtención de oxígeno,
alimento, la excreción de desechos y la necesidad de moverse.
A lo largo de multitud de generaciones, la selección natural ha escogido, entre las variantes de la
población, las más adecuadas para la realización de ciertas funciones. El estudio comparativo
revela que la forma y función están estrechamente ligados en el grupo.
Las leyes físicas y el medio determinan el tamaño y la forma en animales.
La forma y el tamaño en animales determinan la manera que éstos interactúan con el medio
donde habitan. La selección natural escoge las formas mejor adaptadas para desempeñar una
determinada función. Así, por ejemplo, las leyes de la hidrodinámica restringen las formas posibles
que pueden tener ciertos animales para desempeñar óptimamente una función como la natatoria.
Atunes, tiburones, delfines, focas y pingüinos tienen la misma forma fusiforme que minimiza la
resistencia al avance en el medio acuático. Esta forma similar es consecuencia de la evolución
convergente en estos grupos.
La forma y el tamaño del animal tiene un efecto directo sobre cómo éste intercambia materia y
energía con su entorno más próximo. Estos intercambios con el medio se producen por difusión
de sustancias a través de la membrana plasmática. En organismos unicelulares la difusión de
sustancias a través de la membrana plasmática es directa, mientras que en organismos
multicelulares aparecen adaptaciones (cavidades internas profundamente plegadas y con una
gran superficie) que favorecen los intercambios de sustancias.
Sesión 18: Organización, función y regulación en animales (C. 40.2-40.5)
La forma y función en animales se relacionan en todos los niveles de organización.
Los animales son organismos multicelulares con células especializadas agrupadas en tejidos. En
la mayoría de animales, la combinación de varios tejidos forman unidades funcionales
denominadas órganos, que a su vez forman sistemas de órganos. Por ejemplo, el sistema
digestivo humano se compone del estómago, intestino fino, intestino grueso y otros varios órganos
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compuestos de tejidos diferentes.
Los tejidos son grupos de células con una estructura y función común. Un tejido es sustentado por
una matriz extracelular fibrosa que engloba a las células que lo componen. Los tejidos se
clasifican en cuatro categorías principales: tejido epitelial, tejido conectivo, tejido nervioso y tejido
muscular.
El tejido epitelial cubre la parte externa del cuerpo y de los órganos y cavidades del interior. Las
células basales del tejido epitelial se encuentran unidas a la membrana basal. Hay tres tipos de
epitelio: a) el epitelio simple, b) el epitelio estratificado y c) el epitelio pseudoestratificado.
La función principal del tejido conectivo es unir y dar soporte a otros tejidos. Se compone de un
conjunto de células dispersas entre una matriz extracelular compuesta por una red de fibras. Hay
tres tipos de fibras en el tejido conectivo, todas ellas proteínas, que son: fibras de colágeno
(colágeno), fibras elásticas (elastina) y fibras reticulares (colágeno). En vertebrados se distinguen
cinco tipos principales de tejido conectivo: tejido adiposo, tejido conectivo fibroso, cartílago, hueso
y sangre.
1. Tejido adiposo: Almacena grasa en las células distribuidas en la matriz.
2. Tejido conectivo fibroso: Caracterizado por el gran número de fibras de colágeno que posee.
Forma tendones, que unen los músculos a los huesos y ligamentos, que unen los huesos en las
articulaciones.
3. Cartílago: Formado por una red de fibras de colágeno embebida en una matriz flexible formada
por un complejo proteína-hidrato de carbono, junto con un tipo celular llamado condrocito.
4. Hueso: Tejido conectivo mineralizado compuesto por células llamadas osteoblastos en una
matriz de colágeno.
5. Sangre: La matriz extracelular se denomina plasma, que consiste en agua, sales y una variedad
de proteínas en disolución. La sangre transporta varios tipos celulares (eritrocitos, leucocitos y
plaquetas) junto a nutrientes y desechos.
El tejido muscular se compone de largas células llamadas fibras musculares que se contraen
cuando son estimuladas por impulsos nerviosos. En vertebrados hay tres tipos de tejido muscular:
esquelético, cardíaco y liso.
El tejido nervioso capta estímulos y transmite señales de una a otra parte del animal. La unidad
funcional de este tipo de tejido es la neurona.
Los sistemas de órganos de un animal son interdependientes:
En casi todos los animales los tejidos se organizan en órganos. En algunos órganos los tejidos se
disponen en capas. Por ejemplo, el estómago de los vertebrados se compone de cuatro tipos
principales de tejidos: a) un grueso epitelio cubre el lumen y segrega mucus y jugos gástricos, b)
por debajo se sitúa una zona de tejido conectivo rodeada por c) una gruesa capa de músculo liso
y más abajo d) otra capa de tejido conectivo que recubre todo el estómago.
Los sistemas de órganos llevan a cabo la mayor parte de las funciones corporales de la mayoría
de animales. Cada sistema se compone de varios órganos con funciones específicas. Cualquier
organismo es más que la suma de sus partes.
Los animales usan la energía química de los alimentos para sustentar la forma y funciones
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• Todos los organismos requieren energía química para aspectos como el crecimiento, los
procesos fisiológicos, el mantenimiento y reparación, la regulación y la reproducción. El alimento
contiene moléculas orgánicas sintetizadas por otros organismos.
• El flujo de energía en un animal (bioenergética) limita el comportamiento del animal, su
crecimiento y reproducción, y determina la cantidad de alimento que necesita ingerir.
• La mayoría de las moléculas contenidas en los alimentos son usadas para generar ATP a partir de los
procesos catabólicos de la respiración celular y la fermentación.
• Después que las necesidades energéticas son cubiertas, cualquier molécula del alimento puede ser usada en
el crecimiento, reparación de tejidos, síntesis de materiales de reserva y producción de estructuras
reproductivas. A este proceso se denomina de una forma genérica como biosíntesis.
• La cantidad de energía que un animal utiliza en la unidad de tiempo se denomina tasa metabólica. Esta
energía se mide en calorías (cal) ó kilocalorías (kcal).
• Las tasas metabólicas pueden medirse, o bien monitorizando las pérdidas de calor de un animal o
determinando la cantidad de oxígeno consumido ó dióxido de carbono producido por el animal durante la
respiración celular.
• Los animales utilizan dos estrategias bioenergéticas básicas:
° Aves y mamíferos mantienen su temperatura corporal dentro de un estrecho rango a partir del calor
generado por el metabolismo (endotérmicos). Por el contrario, la mayoría de peces, anfibios,
reptiles e invertebrados son ectotérmicos, esto es, consiguen este calor a partir de fuentes externas
principalmente.
° La Endotermia es una estrategia que permite una actividad intensa y de larga duración en un amplio
rango de condiciones de temperatura, mientras que la estrategia ectotérmica requiere mucha menos
energía que la que necesitan los organismos endotermos. Los animales ectotérmicos suelen ser
incapaces de desarrollar una actividad intensa durante largos periodos de tiempo.
• En general, los endotermos tienen tasas metabólicas más altas que los ectotermos.
El tamaño corporal influye en la tasa metabólica.
• Las tasas metabólicas de los animales son afectadas por multitud de factores. La cantidad de energía que se
utiliza para mantener cada gramo del peso corporal es inversamente relacionada al tamaño corporal. Por
ejemplo, cada gramo de un ratón consumo cerca de 20 veces más calorías que un gramo de un elefante.
Concepto 40.4 Muchos animales regulan su medio interno dentro de límites relativamente
estrechos
• Muchos animales tienden a mantener condiciones relativamente constantes en su medio interno, incluso
cuando cambia el medio externo (homeostasis). El medio interno de un animal siempre fluctúa muy poco.
La homeostasis es un estado de carácter dinámico que se establece entre las fuerzas externas que tienden a
cambiar el medio interno y los mecanismos de control interno que se oponen a tales cambios.
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Los animales pueden regularse o adaptarse internamente frente a las condiciones ambientales impuestas
por una variable ambiental externa determinada.
• La regulación y la adaptación son los dos extremos de cómo los animales responden a los cambios del
medio externo. Para una variable ambiental determinada, un animal se considera un regulador si usa
mecanismos de control interno para moderar los cambios internos mientras las condiciones externas
cambian. Por el contrario, se considera un conformer si permite que sus condiciones internas varíen
conforme lo hacen las condiciones externas.
La homeostasis depende de circuitos retroalimentados (feedback).
• Cualquier sistema de control homeostatico tiene tres componentes: un receptor, un centro de control y un
desencadenador de la respuesta.
• El circuito funcionaría de la siguiente forma: cuando el receptor detecta el cambio de alguna variable en el
medio interno del animal, como un cambio en la temperatura, el centro de control procesa la información
recibida del receptor y dirige una respuesta apropiada a este cambio.
• En los sistemas de retroalimentación negativa, un cambio en la variable que está siendo monitorizada
provoca el mecanismo de control para contrarrestar este cambio.
• Un mecanismo de reatroalimentación positiva, a diferencia del de retroalimentación negativa, involucra
un cambio en alguna variable que provoca mecanismos que amplifican en lugar de revertir el cambio.
Concepto 40.5 La termorregulación contribuye a la homeostasis y comprende cuestiones
relacionadas con la anatomía, fisiología y comportamiento
• La termorregulación es el proceso por el cual los animales mantienen una temperatura interna dentro de
un rango tolerable y óptimo para el desarrollo de los procesos fisiológicos.
• Los ectotermos y los endotermos gestionan sus reservas de calor de forma diferente. Los ectotermos
obtienen la mayor parte de su calor del medio externo, mientras que los endotermos pueden usar el calor
generado por su metabolismo para regular su temperatura corporal. Así, los ectotermos toleran variaciones
más grandes de la temperatura interna que los endotermos.
Los animales regulan el intercambio de calor con su medio externo.
• Los animales intercambian calor con su medio externo a través de cuatro tipos de procesos físicos:
conducción, convección, radiación y evaporación. Las adaptaciones que ayudan a los animales a
termorregularse son las siguientes:
1. Aislamiento: reduce el flujo de calor entre el animal y el medio exterior a él, rebajando el coste
energético de mantenerse caliente. En mamíferos el material aislante se centra en el sistema
integumentario compuesto por la piel.
2. Adaptaciones del sistema circulatorio: muchos endotermos y ectotermos pueden alterar el volumen
de flujo sanguíneo entre la piel y el interior del cuerpo. En este sentido, tres tipos de adaptaciones
aparecen en animales:
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Vasodilatación: incremento en el diámetro de los vasos sanguíneos situados cerca de la
superficie corporal.
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Vasoconstricción: reducción del flujo sanguíneo y por consiguiente del calor que se
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transfiere al reducir el diámetro de los vasos sanguíneos superficiales.
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Intercambio de calor a contracorriente: se reduce la pérdida de calor corporal ajustando
el volumen de flujo sanguíneo circulante que pasa por dos vías alternativas de transporte de
la sangre.
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Algunos peces óseos como el atún rojo y el tiburón blanco presentan adaptaciones del
sistema circulatorio para retener el calor metabólico. También muchos insectos endotérmicos
(abejas, abejorros y polillas) tienen este tipo de adaptaciones del sistema circulatorio que les
ayuda a mantener una temperatura elevada en el torax, lugar donde se sitúan los músculos
relacionados con el vuelo.
3. En muchos mamíferos y aves la evaporación es la única forma de evitar el aumento de la
temperatura corporal. Algunas adaptaciones que favorecen los procesos de evaporación en animales
son el jadeo y el baño.
4. Muchos endotermos y ectotermos utilizan respuestas conductuales para controlar la temperatura
corporal, como son la orientación del cuerpo frente al sol (exponerlo, no exponerlo,…) u otras como
la hibernación, migración, etc.
5. Los endotermos varían la producción de calor mediante la actividad física u otras acciones como
temblar. Los insectos voladores como la abeja o la polilla comienzan a temblar antes de echar a
volar, para así elevar su temperatura corporal.
• La regulación de la temperatura corporal en humanos es controlada por el hipotálamo, que funciona como
un termostato. Cuando las células nerviosas situadas en la piel detectan un descenso en la temperatura de la
sangre situada en un lugar determinado del cuerpo se inhiben los mecanismos de pérdida de calor,
activándose otros mecanismos, o bien de generación de calor (temblar) o de conservación de éste
(vasoconstricción, erección del pelaje). Si por el contrario se detecta un aumento en la temperatura (sangre)
en estos puntos de referencia se cancelan los mecanismos de retención de calor y se estimulan otros de
enfriamiento del cuerpo como la vasodilatación, sudoración o el jadeo.
Los animales pueden aclimatarse a un nuevo rango de temperaturas en el ambiente.
• Muchos animales pueden aclimatarse a nuevas condiciones en la temperatura ambiental mediante una
respuesta fisiológica concreta.
• Algunos animales responden a condiciones adversas del medio mediante un tipo de adaptación denominada
letargo. El letargo es un estado fisiológico en el que la actividad del organismo es baja y el metabolismo
disminuye.
• La hibernación es un tipo de letargo a largo término que se produce como una adaptación a inviernos fríos
y/o escasez de alimento. La estivación, o letargo de verano, se caracteriza también por la inactividad y bajo
metabolismo del organismo. La estivación permite al animal sobrevivir largos periodos de tiempo en los
que predominan condiciones de altas temperaturas y escasez de agua en el medio (caracol Helix aspersa).
• Muchos micromamíferos y aves exhiben un letargo diario relacionado con el patrón diario de alimentación
del organismo.
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