Biología - Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas
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MODULO BIOLOGÍA INGRESO 2016 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ DOCENTES A CARGO: Lic. Biotecnología Borini Eticheti, Carla Srta. Brunet Avalos, Clarisse Srta. Ensinck, Delfina Srta. Giolito, María Virginia Sr. Hernández Cravero, Bruno Srta. Livieri, Andrea Srta. Malizia, Florencia Sr. Martínez Peralta, Gonzalo Srta. Rasetto, Natalí Lic. Biol. Mol. Tavernelli, Luis Docentes de Referencia del Area Biología: Lic. Biotecnología Chazarreta, Lorena Lic. Biotecnología Hedin, Nicolás Dr. Krapf, Darío Lic. Biotecnología Larran, Alvaro Dra. Ruiz Álvarez, Jimena Dr. Sciara, Andrés Lic. Biotecnología Simo, Ignacio Lic Biotecnología Stival, Cintia Dra. Villanova, Vanina Dra. Weiner, Andrea Coordinación: Dr. Girardini, Javier Dra. Marini, Patricia 1 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ BIBLIOGRAFIA: -Alberts, B, Johnson, Lewis, Raff, Roberts y Walter. Biología Molecular de la Célula; 5° Edición - Curtis, HN, NS Barnes. Biología. 6° Ed. Editorial Médica Panamericana. Buenos Aires. - Campbell, N.A. y Reece, J.B. Biología 7ª Edición. Editorial Medica Panamericana Modalidad de cursado: Durante las primeras 4 semanas el cursado será en forma de dos clases semanales, una expositiva y una taller. Al final de las mismas, comenzarán clases de experimentación. Aquellos alumnos que acrediten 85% de asistencia durante las primeras 8 clases (7 clases) accederán a una clase en el Laboratorio del Área Biología. Evaluaciones: habrá una evaluación diagnóstica el primer día de clases, y una evaluación final el 7-3-16, la misma tendrá su devolución el 9-3-16. 2 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Distribución en Comisiones: COMISION 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DOCENTE Ma. Virginia Giolito – Cintia Stival HORARIO MARTES 9:30 A 11 HS JUEVES 7:30 A 9 HS Andrea Liviari – Álvaro Larrán MARTES 9:30 A 11 HS JUEVES 7:30 A 9 HS Gonzalo Martínez Peralta – Andrea MARTES 9:30 A 11 HS Weiner JUEVES 7:30 A 9 HS Natalí Rasetto – Vanina Villanova MARTES 9:30 A 11 HS JUEVES 7:30 A 9 HS Bruno Hernández Cravero – Darío MARTES 9:30 A 11 HS Krapf JUEVES 7:30 A 9 HS Clarisse Brunet Avalos – Lorena MARTES 17:30 A 19 HS Chazarreta JUEVES 16 A 17:30 HS Carla Borini Etchetti– Ignacio Simó MARTES 17:30 A 19 HS JUEVES 16 A 17:30 HS Florencia Malizia – Andrés Sciara MARTES 17:30 A 19 HS JUEVES 16 A 17:30 HS Delfina Ensinck - Nicolás Hedin MARTES 17:30 A 19 HS JUEVES 16 A 17:30 HS Luis Tavernelli – Jimena Ruíz Álvarez MARTES 17:30 A 19 HS JUEVES 16 A 17:30 HS 3 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Unidad 1 ¿Qué es La biología? La Biología, según la entendemos actualmente, es una actividad científica cuyo objeto de estudio son los seres vivos. La palabra “biología” –del griego bios, vida y logos, estudio– fue acuñada hace poco más de doscientos años. Se la atribuye al naturalista alemán Gottfried R. Treviranus (1776-1837) y también al naturalista francés del siglo XIX, Jean Baptiste de Monet, Chevalier de Lamarck (1744-1829). Sin embargo, algunos historiadores de la ciencia piensan que Lamarck tomó el nombre biología de Treviranus y muchos de ellos continúan buscando rastros aún más antiguos de este término. Antes del siglo XIX no existían las “ciencias biológicas” tal como las conocemos hoy. Existían la medicina y la historia natural. La anatomía fue hasta el siglo XVIII una rama de la medicina y la botánica, fue practicada principalmente por los médicos que buscaban nuevas hierbas medicinales, y los mejoradores de vegetales, que buscaban aumentar la calidad y el rendimiento de los cultivos. La historia natural de los animales se estudiaba en el contexto de la teología natural, tratando de encontrar las causas finales en la armonía de la naturaleza, según los principios del filósofo griego Aristóteles (384-322 a. C.). Durante los siglos XVII y XVIII, la historia natural comenzó a diferenciarse claramente en zoología y botánica. A partir de entonces se abrieron numerosas ramas de estudio que se diversificaron y complejizaron a medida que se incrementaban los estudios sobre los seres vivos. La palabra biología definió, entonces, con más claridad la ciencia de la vida y con ello se unificó un campo de conocimiento muy vasto. Esto posibilitó la formulación de nuevas generalizaciones sobre el fenómeno de la vida. La historia de la biología está atravesada por problemáticas que, de diferentes modos según sus contextos culturales, se fueron estableciendo desde la antigüedad hasta nuestros días. Algunas de estas problemáticas no tienen un principio ni un fin claros, sino que se extienden a lo largo de la historia, superponiéndose e influyéndose unas a otras. Existen además momentos de estancamiento, retrocesos, controversias, conocimientos excluidos y obstáculos que persistieron a lo largo de siglos. Por esta razón, la historia de la biología, como la de otras ciencias, no es un proceso lineal que se pueda representar fácilmente en una única línea de tiempo. 4 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Entre las problemáticas centrales abordadas por la biología moderna se encuentran el origen de la vida, así como la comprensión de sus mecanismos. En cambio, las preguntas más antiguas acerca del mundo natural son tal vez aquellas relacionadas con la diversidad de los seres vivos. Nunca sabremos con exactitud en qué momento los seres humanos tomaron conciencia de la enorme variedad de peces, pájaros, insectos y plantas que los rodeaban. Sin embargo, sabemos que diversas culturas a lo largo de los siglos centraron su atención en el análisis, la descripción, la comparación y la clasificación de los organismos. Los primeros naturalistas limitaban sus estudios a la flora y la fauna de la región que habitaban. Sin embargo, no les era ajeno, por los relatos que traían los primeros viajeros de entonces, que otras regiones del mundo estaban pobladas por seres vivos muy diversos. Este conocimiento era, sin embargo, limitado y no llegaba a proporcionar una idea de la gran amplitud de la distribución geográfica de los seres vivos. A partir de los grandes viajes como el de Marco Polo (1254-1323) a Asia, los de los portugueses en el siglo XV por las costas de África y los de Cristóbal Colón (1451-1506) a América, entre otros, la conciencia entre los naturalistas sobre la diversidad de organismos que habitaban la Tierra se acrecentó. Si bien las primeras colecciones estaban concentradas en especímenes exóticos, poco a poco comenzaron a elaborarse instrucciones precisas sobre qué seres vivos se debían observar, describir y recoger. Las instrucciones escritas fueron reglamentando entonces la forma de coleccionar. Las colecciones resultantes, tanto las públicas como las privadas, dieron lugar a los gabinetes de historia natural alrededor de los cuales crecieron los museos y los herbarios de toda Europa. En 1753, Linneo publicó “Species Plantarum”, donde describió en dos volúmenes enciclopédicos cada especie de planta conocida en esa época. Mientras Linneo trabajaba en este proyecto, otros exploradores regresaban a Europa desde África y el Nuevo Mundo con plantas no descritas previamente y con animales desconocidos. Por otra parte, los viajes y exploraciones permitieron conectar distintas culturas y poner en evidencia la preexistencia de seres humanos con características diferentes. En consecuencia, la observación de la realidad puso a la humanidad frente a uno de los problemas más importantes de la Biología: organizar a la abrumadora diversidad de los seres vivos en una forma que facilite su estudio. Si bien no fue el primero en clasificar a los organismos, los aportes de Linneo fueron de fundamental importancia en este sentido, ya que introdujo un sistema de clasificación jerárquica y un sistema de nomenclatura que es el que se utiliza en la actualidad. Entre los siglos XVIII y XIX, los trabajos de dos grandes viajeros marcaron los cambios que sentaron las bases de la biología moderna. Uno de ellos fue el geógrafo y físico alemán Alexander von Humboldt (1769-1859). A 5 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ partir de sus viajes surge un nuevo modelo de ciencia natural, más centrado en las características del terreno de donde provenían los especímenes recolectados que en una mera descripción de esas especies. El objetivo era comparar y combinar los hechos observados. Humboldt analizó tanto la morfología de las plantas como la dinámica de las interacciones de otros elementos. Humboldt ejerció una influencia profunda en un joven inglés, Charles Darwin (1809-1882) que había abandonado sus estudios de medicina para dedicarse ávidamente a los de historia natural. Darwin había leído con enorme interés los relatos del viaje de Humboldt a Tenerife (Islas Canarias) y había decidido que él también recorrería esas islas. Pero la propuesta de embarcarse a bordo del Beagle como naturalista no oficial cambió sus planes y el rumbo de la historia. Fig.1: Charles Darwin, con 31 años, en un retrato en acuarela realizado por George Richmond hacia finales de 1830. El viaje representó un hecho fundamental en la formación intelectual de Darwin. Mientras el Beagle descendía a lo largo de la costa atlántica de Sudamérica, atravesaba el estrecho de Magallanes y ascendía por la costa del Pacífico, Darwin se impresionó fuertemente por las diferencias que observó entre las distintas variedades de organismos. Las aves y otros animales de la costa oeste eran muy diferentes de los de la costa este, e incluso, a medida que él ascendía lentamente por la costa occidental, una especie iba siendo reemplazada por otra. 6 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Darwin postuló que las especies contemporáneas surgieron de una sucesión de ancestros y propuso al proceso de selección natural como el mecanismo mediante el cual es posible dicha sucesión. Aunque Darwin no fue el primero en proponer que los organismos evolucionan o cambian a lo largo del tiempo, fue el primero en acumular una cantidad importante de evidencia en apoyo de esta idea y en proponer un mecanismo válido por el cual podría ocurrir la evolución. La teoría de Darwin se constituyó, así, un principio fundamental de la biología. En los siglos XIX y XX, otros principios –que en la actualidad consideramos que subyacen en la Teoría de la Evolución– permitieron que la biología se consolidara como ciencia: Entre 1838 y 1858 se estableció la idea de que todos los organismos vivos están compuestos por una o más células y que éstas pueden originarse exclusivamente a partir de células preexistentes. Este principio universalmente aceptado se conoce como TEORÍA CELULAR, el crédito le pertenece a los grandes científicos alemanes Theodor Schwann, Matthias Schleiden y Rudolph Virchow, aunque por supuesto, no hubiese sido posible sin las investigaciones previas de Robert Hooke y otros investigadores que estudiaron la composición microscópica de diversos organismos y tejidos . A mediados del siglo XIX comenzaron a realizarse estudios bioquímicos y metabólicos siguiendo modelos experimentales cada vez más precisos y rigurosos. Fig.2: Creadores de la Teoría Celular: El zoólogo Theodor Schwann, el botánico Mathias Schleiden y el patólogo Rudolph Virchow. En la segunda mitad del siglo XIX se produjeron avances trascendentales en el estudio de la herencia, es decir, la transmisión de las características de los progenitores a los descendientes; de la mano de Gregor Johann Mendel (1822-1884). En la actualidad, estos temas investigados por la genética moderna se encuentran entre los problemas fundamentales de la biología contemporánea. 7 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Además, se fue avanzando en los estudios anatómicos y fisiológicos de plantas y animales. Poco a poco, los procesos del desarrollo se fueron estudiando con más detalle y se fueron rompiendo viejas y erradas concepciones. La zoología y la botánica, primeras ramas fundamentales de la biología, se enriquecieron con el aporte de numerosos campos de estudio. Biología Actual y sus Ramas Actualmente nuevas ideas y descubrimientos inesperados han abierto fronteras en excitantes áreas de la ciencia como biología celular, genética, inmunología, neurobiología, evolución, ecología, entre muchas otras. Como vimos, desde su nacimiento como ciencia independiente, la biología ha sufrido cambios radicales. Se ha diversificado y especializado de tal manera debido al interés de los científicos por dar respuesta a una gran variedad de interrogantes derivados de la necesidad de comprender los fenómenos y mecanismos que hacen posible la vida. También contribuyen al desarrollo de la Biología las necesidades de nuevos medicamentos y tratamientos para viejas y nuevas enfermedades. Además, siendo la Biología una actividad humana, influye sobre y se ve influida por el contexto social, económico y político en el cual se desarrolla. Así como varias ramas de la biología fueron especializando en sus intereses y alcances, otras disciplinas nuevas surgieron. A su vez se comenzaron a implementar enfoques más integradores que analizan un problema determinado desde varias disciplinas, como es el caso del estudio de la obesidad tanto en sus aspectos biológicos como psicológicos, o la Bioinformática, que utiliza herramientas de informática, matemática, física y química para estudiar fenómenos biológicos. La biología como gran parte de las ciencias se involucra una multitud de disciplinas y desarrolla ámbitos muy especializados. A continuación se desglosan especialidades o ramas de la biología moderna. . 8 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Fig.3: Ramas de la Biología. Entre las principales ramas de la biología nos encontramos con: Botánica: estudio de las plantas. Biología marina: estudio de los fenómenos biológicos en el medio marino. Biología celular: Rama especializada en el estudio de la estructura y función de las células. Zoología: estudio de la vida animal. Histología: estudio de los tejidos que conforman los seres vivos. Genética: estudio de los genes, su herencia, reparación y expresión. Fisiología: estudio las funciones de los seres vivos tales como la respiración, la circulación sanguínea, el sistema nervioso, etc. Ecología: estudio de la relación entre los seres vivos y su hábitat. Microbiología: estudio de los microorganismos. 9 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Inmunología: Estudio de los sistemas de defensa frente a patógenos. Neurobiología: Es el estudio del sistema nervioso y de los mecanismos que permiten procesar la información y determinar el comportamiento. Evolución: Estudio de la transformación de las especies a lo largo del tiempo. Biología Molecular: Estudia los procesos biológicos a nivel molecular. Como vemos, la biología abarca un amplio espectro de campos de estudio que, a menudo, se tratan como disciplinas independientes. Todas ellas juntas estudian la vida en un amplio rango de escalas. Niveles de organización biológica La biosfera Los ecosistemas Las comunidades Las poblaciones Los individuos Los sistemas de órganos Los órganos Los tejidos Las células Los complejos de macromoléculas Las macromoléculas Las moléculas Átomos y partículas subatómicas La biosfera: La biosfera es la parte de la Tierra en la que habitan los organismos vivos. Es una capa delgada sobre la superficie del planeta, de irregular grosor y densidad. La biosfera está afectada por la posición y los movimientos de la Tierra en relación con el Sol y por los movimientos del aire y del agua sobre la superficie de la Tierra. La biosfera se extiende aproximadamente entre 8 y 10 km por encima del nivel del mar y varios 10 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ metros por debajo del nivel del suelo, hasta donde pueden penetrar las raíces, pero persiste hasta mucho más allá, ya que se han encontrado bacterias en grietas de las rocas en profundidades de hasta 1 kilómetro. Los ecosistemas: El ecosistema es una unidad de organización biológica, constituida por todos los organismos que componen esa unidad –componente biótico– y el ambiente en el que viven –componente abiótico–. Las comunidades: La comunidad es un conjunto de diversas poblaciones que habitan un ambiente común y que se encuentran en interacción recíproca. Esa interacción regula el número de individuos de cada población y el número y el tipo de especies existentes en la comunidad y determinan los procesos de selección natural. Las poblaciones: La población es una unidad primaria de estudio ecológico; es un grupo de organismos de la misma especie, capaces de producir descendencia fértil, que conviven en el mismo lugar y al mismo tiempo. Los individuos: Existen individuos unicelulares –como los protistas y los procariontes– y multicelulares. Algunos organismos se encuentran en un nivel intermedio entre una colonia de células y un organismo multicelular auténtico; tal es el caso de las esponjas. Otros organismos alcanzan el nivel de tejidos, como los cnidarios, y otros se ubican en el nivel de órganos, como las plantas vasculares. Muchos animales pertenecen al nivel de sistemas de órganos. Los órganos y sistemas orgánicos: Los sistemas de órganos están constituidos por un conjunto de órganos que trabajan en forma integrada. En la mayoría de los animales, esta integración y control la realizan el sistema nervioso y el endocrino. Los sistemas de órganos de los animales son: digestivo, respiratorio, excretor, circulatorio, inmunitario y reproductor. Los sistemas de órganos permiten que el organismo multicelular tome y elimine sustancias desde el medio y hacia él. Los órganos están formados por tejidos que cooperan y actúan en coordinación tanto estructural como funcional. El órgano más grande del cuerpo de un vertebrado es la piel. El corazón es un órgano que constituye el sistema circulatorio de un vertebrado. Los tejidos: Los tejidos están formados por células individuales que trabajan en forma cooperativa. En un animal, los diferentes tejidos que constituyen el organismo son: epitelial, conjuntivo, nervioso y muscular. En 11 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ el sistema circulatorio, el tejido sanguíneo es un tipo de tejido conjuntivo especializado que contiene glóbulos rojos, glóbulos blancos, plaquetas y plasma. Las células: Las células son las unidades estructurales y funcionales de todo ser vivo. Todos los organismos están conformados por células. El cuerpo de todo organismo multicelular complejo está constituido por una variedad de células diferentes especializadas. Los complejos de macromoléculas: Los complejos macromoleculares forman, dentro de las células, estructuras complejas, como las membranas y las organelas en las células eucariontes. Las macromoléculas: Las macromoléculas son moléculas constituidas por varias moléculas que pueden ser similares entre sí o no. Los polisacáridos, por ejemplo, están constituidos por monosacáridos unidos en cadenas largas. Algunos de ellos son formas de almacenamiento del azúcar, mientras que otros, como la celulosa, son un material estructural importante de las plantas. Las moléculas: Las moléculas pueden ser orgánicas –aquellas que contienen carbono– o inorgánicas, como el H2O o el O2. Una sola célula bacteriana contiene aproximadamente cinco mil clases diferentes de moléculas y una célula vegetal o animal tiene alrededor del doble. Átomos y partículas subatómicas: Todas las moléculas orgánicas como los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los nucleótidos contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. El agua, una molécula inorgánica, contiene hidrógeno y oxígeno. En la Tierra existen unos 92 elementos. Los elementos son sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos ordinarios. Un elemento está constituido por átomos. Desde hace largo tiempo, los científicos tratan de entender cómo es un átomo. Ciencia y Sociedad En la historia de la humanidad las actividades científicas han estado en relación permanente con las demás actividades humanas, ya sea a través del desarrollo de nuevas tecnologías que han cambiado algún aspecto 12 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ de nuestra forma de vida o generando conocimientos que modificaron nuestra percepción de la realidad. Sin embargo, en la actualidad, esta relación parece más íntima que nunca, percibiéndose un enorme impacto del avance científico y tecnológico sobre la sociedad y a la vez una gran demanda de conocimiento aplicado a la resolución de problemas concretos. La ciencia ha engendrado una miríada de resultados tecnológicos cuyo impacto es gigantesco: la bomba de hidrógeno, la vacuna contra la polio, los pesticidas, los plásticos indestructibles, las plantas de energía nuclear, los organismos modificados genéticamente. Muchos de estos desarrollos, si bien han permitido resolver problemas específicos, acarrean también la potencialidad de consecuencias negativas para los seres vivos y el planeta. Por lo tanto, la dimensión actual del impacto económico, social y ambiental del conocimiento científico-tecnológico hace indispensable la reflexión sobre los rumbos y los objetivos de un saber científico que, lejos de ser neutral, involucra valores e intereses que se deben explicitar y analizar críticamente. La ciencia como generadora de estos mismos resultados aparece inmensamente poderosa. Pero lejos de encandilarnos con sus potencialidades, es necesario comprender que en la actualidad estamos inmersos en diversas encrucijadas relacionadas con las aplicaciones de la ciencia y la tecnología, en cuya resolución debe participar el conjunto de la sociedad. Por ello, es indispensable que la formación científica favorezca la participación consciente de todos los sectores involucrados en la toma de decisiones en este campo, considerando los contextos de producción y aplicación del conocimiento científico, las controversias y los actores involucrados. Los métodos de investigación en Biología La palabra ciencia proviene de un verbo latino que significa “conocer”. La ciencia es una forma de conocimiento. Se desarrolla a partir de nuestra curiosidad sobre nosotros mismos, sobre otras formas de vida, sobre el mundo y el universo. Esforzarse por entender parece ser una de nuestras necesidades fundamentales. En el corazón de la ciencia se encuentra la investigación, una búsqueda de información y explicación, con frecuencia centrada en preguntas específicas. No existe ninguna fórmula para que la investigación científica tenga éxito, ningún método científico único con un reglamento o libro de instrucciones que los investigadores deban seguir rígidamente. La biología mezcla dos procesos esenciales de la investigación científica: la ciencia del descubrimiento y la ciencia basada en hipótesis. La ciencia del descubrimiento consiste, en su mayor parte, 13 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ en la descripción de la naturaleza. La ciencia basada en hipótesis intenta, en general, la explicación de la naturaleza. Ciencia del descubrimiento: A veces llamada ciencia descriptiva, la ciencia del descubrimiento describe las estructuras y los procesos de la naturaleza con la mayor exactitud posible por medio de la observación cuidadosa y el análisis de los datos. Por ejemplo, la ciencia del descubrimiento construyó de forma gradual nuestra comprensión de la estructura celular, y es la ciencia del descubrimiento la que expande nuestras bases de datos de los genomas de diversas especies. Tipos de datos. La observación es el uso de los sentidos para recopilar información, tanto directa como indirectamente, con la ayuda de herramientas como los microscopios, que potencian nuestros sentidos. Las informaciones registradas se denominan datos. Para mucha gente, el término datos significa números. Pero algunos datos son cualitativos, con frecuencia en forma de descripciones registradas, más que medidas numéricas. Por ejemplo, Jane Goodall pasó décadas registrando sus observaciones sobre la conducta de los chimpancés durante una investigación de campo en la selva de Gambia. Inducción en la ciencia del descubrimiento. La ciencia del descubrimiento permite extraer conclusiones importantes basadas en un tipo de lógica denominada inducción o razonamiento inductivo. Mediante la inducción derivamos generalizaciones basadas en un gran número de observaciones específicas. “El sol siempre sale por el este” es un ejemplo. Y también lo es: “Todos los organismos están formados por células”. Esta generalización, que forma parte de la denominada teoría celular, se basa en que, durante dos siglos, los biólogos han descubierto células en múltiples especímenes biológicos que observaron con el microscopio. Ciencia basada en las hipótesis Las observaciones y las inducciones de la ciencia del descubrimiento estimulan a buscar las causas y las explicaciones naturales de estas observaciones ¿Cuál es la causa de que las raíces de una planta con semillas crezcan hacia abajo y las hojas que contienen los brotes crezcan hacia arriba? ¿Cuál es la explicación de la generalización de que el sol siempre sale por el este? En la ciencia, estos interrogantes siempre implican la propuesta y la verificación de explicaciones hipotéticas, o hipótesis. 14 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ El papel de las hipótesis en la investigación. En la ciencia, una hipótesis es una respuesta posible a una pregunta claramente formulada, una explicación para verificar. Es, generalmente, un postulado elaborado, basado en experiencias pasadas y en los datos disponibles de la ciencia del descubrimiento. Una hipótesis científica establece predicciones que pueden ponerse a prueba registrando observaciones adicionales o mediante el diseño de experimentos. Todos nosotros utilizamos hipótesis para resolver los problemas de cada día. Por ejemplo, la linterna no funciona durante una salida nocturna en el campamento. Eso es una observación. La pregunta es obvia: ¿por qué no funciona la linterna? Dos hipótesis razonables basadas en experiencias pasadas son: 1) las baterías de la linterna están agotadas o 2) la bombilla de la linterna está fundida. Cada una de estas hipótesis alternativas genera predicciones que pueden comprobarse mediante experimentos. Por ejemplo, la hipótesis de las baterías agotadas predice que cambiando las baterías se resolverá el problema Deducción: la lógica dela ciencia basada en las hipótesis “Si... entonces” Un tipo de lógica denominada deducción está incorporada a la ciencia basada en hipótesis. La deducción se opone a la inducción y generalmente toma la forma de predicción sobre qué resultados deberíamos esperar de los experimentos o las observaciones si una particular premisa es correcta. Entonces comprobamos la hipótesis al realizar el experimento para ver si los resultados son o no son los predichos. En el caso del ejemplo de la linterna: si la hipótesis de las baterías agotadas es correcta y usted las cambia por baterías nuevas, entonces la linterna debería funcionar. La investigación de la linterna ilustra otro punto clave sobre la ciencia basada en hipótesis, Lo ideal es formular dos o más hipótesis alternativas y diseñar experimentos para refutar estas posibles explicaciones. Además de las dos explicaciones estudiadas, una de las muchas hipótesis adicionales es que ambas, las baterías y la lámpara, no funcionen correctamente ¿Cuál es el resultado que esta hipótesis predice en los experimentos propuestos? ¿Qué experimento adicional diseñaría probar esta hipótesis de un desperfecto múltiple? Podemos profundizar aún más en el escenario de la linterna para aprender otra lección importante de la ciencia basada en las hipótesis. Aunque la hipótesis de la bombilla fundida continúe siendo la explicación más probable, observe que la prueba que sostiene esta hipótesis no lo hace porque confirma que es correcta, sino porque no la elimina mediante una refutación. Quizás la bombilla simplemente estaba floja y la nueva bombilla 15 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ fue colocada correctamente. Podríamos intentar refutar la hipótesis de la bombilla fundida intentando otro experimento: extrayendo la bombilla y colocándola nuevamente con cuidado. Pero. A pesar de una gran cantidad de pruebas experimentales, ninguna puede comprobar una hipótesis sin dejar una sombra de duda porque es imposible agotar las pruebas de todas las hipótesis alternativas. Una hipótesis adquiere credibilidad porque sobrevive a muchos intentos de refutarla, mientras que, al mismo tiempo, estas pruebas experimentales van eliminando (refutando) las hipótesis alternativas. El mito del método científico. Los pasos del ejemplo de la linterna muestran un proceso idealizado de investigación denominado método científico. Podemos reconocer los elementos de este proceso en la mayoría de los artículos publicados por los científicos, pero raramente en esa forma tan estructurada. Muy pocas investigaciones científicas siguen rígidamente la secuencia de pasos definidas como “método científico”. Por ejemplo, un científico puede comenzar a diseñar un experimento, para luego modificarlo de modo retrospectivo al comprobar que se requieren más observaciones. En otros casos el rompecabezas de observaciones simplemente no responde a preguntas definidas con claridad hasta que otros proyectos de investigación sitúen estas observaciones en un nuevo contexto. Por ejemplo, Darwin recogió los especímenes de pinzones de las Galápagos, pero después de varios años, cuando la idea de la selección natural comenzó a consolidarse, los biólogos empezaron a hacerse preguntas clave acerca de la historia de estas aves. Además, los científicos a veces reorganizan su investigación cuando se dan cuenta de que han estado formulando preguntas erróneas. Por ejemplo, al comienzo del siglo xx, muchas investigaciones sobre la esquizofrenia y el trastorno maníaco depresivo (ahora llamado trastorno bipolar) se desviaron del camino correcto porque se centraron demasiado en el modo en que las experiencias de la vida causaban estas enfermedades graves. Las investigaciones sobre las causas y los potenciales tratamientos se volvieron más productivos cuando se diseñaron preguntas correctas al estudiar cómo contribuían ciertos desequilibrios químicos cerebrales a la enfermedad mental. Para ser justos, debemos reconocer que esas desviaciones y giros en la investigación científica se hacen más evidentes con el paso del tiempo, con la ventaja que da la perspectiva histórica. Existe aún otra razón por la cual una ciencia correcta no requiere satisfacer exactamente ningún método determinado de investigación: la ciencia del descubrimiento ha contribuido muchísimo a nuestra comprensión de la naturaleza, sin cumplir con la mayoría de los pasos del denominado “método científico”. Es importante adquirir cierta experiencia sobre las posibilidades del método científico utilizándolo para algunas de las 16 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ investigaciones de laboratorio. Pero también es importante evitar estereotipar a la ciencia como si siguiera de forma rígida este método. Teorías científicas Nuestro uso cotidiano del término teoría muchas veces implica una especulación no puesta a prueba. Pero, en ciencia, el término teoría tiene un significado muy diferente ¿Que es una teoría científica y en qué se diferencia de una hipótesis o de una mera especulación? En primer lugar, una teoría científica tiene un ámbito mucho más amplio que una hipótesis. Esto es una hipótesis: "Parecerse por mimetismo a las serpientes venenosas es una adaptación que protege a las serpientes no venenosas de los predadores". Pero esta es una teoría: “Las adaptaciones evolutivas se producen por selección natural“. La teoría de Darwin de la selección natural se aplica a una diversidad enorme de adaptaciones, entre ellas, el mimetismo. En segundo lugar, una teoría es suficientemente general para abarcar muchas nuevas hipótesis específicas que pueden ponerse a prueba. Por ejemplo, Peter y Rosemary Grant de la Universidad de Princeton, estuvieron motivados por la teoría de la selección natural para evaluar la hipótesis específica de que los picos de los pinzones de las Galápagos evolucionaron como respuesta a los cambios en los tipos de alimentos disponibles. Y tercero, en comparación con cualquier hipótesis una teoría está generalmente basada en un conjunto de evidencias mucho más importante. Las teorías que son ampliamente aceptadas por la ciencia explican una gran diversidad de observaciones y son avaladas por una gran cantidad de evidencias. De hecho el cuestionamiento de las teorías generales continúa mediante la puesta a prueba de las hipótesis específicas, refutables, que las teorías engendran. Pese al conjunto de evidencias que sostienen a una teoría ampliamente aceptada, los científicos a veces deben modificar o incluso rechazar las teorías cuando nuevos métodos de investigación producen resultados que no son compatibles. Por ejemplo, la teoría de los cinco reinos de diversidad biológica comenzó a desgastarse cuando nuevos métodos de comparación de las células y las moléculas hicieron posible poner a prueba algunas de las relaciones hipotéticas entre los organismos que se basaban en esta teoría. Si hay alguna “verdad” en la ciencia, esta es siempre condicional, basada en el predominio de las evidencias disponibles. 17 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Referencias Fotográficas 1: http://galapagosonline.wordpress.com/2011/09/15/charles-darwin-in-galapagos/ Schleiden, Schwann y Virchow – https://arhtbiologia1013.files.wordpress.com/2013/12/autores-teoria-celular.jpg http://biovidalogia.blogspot.com.ar/ http://biovidalogia.blogspot.com.ar/ http://www.barrameda.com.ar/animales/mono-arania.htm http://lenincardozo.blogspot.com.ar/2014/11/parque-ecoturistico-jardin-xerofitico.html. http://faculty.mc3.edu/jearl/ML/ml-5-2.htm http://bacteriasactuaciencia.blogspot.com.ar/2011/05/vueltas-con-escherichia-coli.html http://democritus.me/el-metodo-cientifico Cuestionario 1 1- ¿Qué es la biología? ¿Cuál es su objeto de estudio? 2- La frase “azar y necesidad” ha sido utilizada para describir la teoría darwiniana de la evolución. Relacione esto con el hecho de que los caracoles que viven sobre el césped no tienen caparazones verdes, pero hay, por ejemplo, ranas e insectos verdes. ¿Azar y/o necesidad? 3- ¿Qué es la Herencia? ¿En quién pensamos cuando hablamos de Herencia? 4- ¿Cuál es la diferencia entre una hipótesis y una teoría? Defina cada una de ellas. 5- ¿A qué nos referimos con objeto de estudio?¿Por qué es importante determinar cuál es? Dé un ejemplo. 6- ¿A qué información recurre un científico para responder sus interrogantes? ¿La explicación de un mismo fenómeno es igual para todos? ¿Por qué? 7- ¿Se puede confirmar en forma definitiva que una hipótesis sea verdadera? ¿Por qué? 8- ¿Dónde se dan a conocer los resultados científicos obtenidos? 9- Cuando los científicos comunican hallazgos nuevos se espera que revelen sus métodos y los datos básicos, así como sus conclusiones. ¿Por qué se considera esencial esa comunicación? 10- Identificar a qué ramas de la biología corresponden los siguientes trabajos. ¿un mismo trabajo puede ser abordado por especialistas en diferentes ramas de la biología? 18 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 11- Según su opinión el siguiente estudio puede clasificarse dentro de la ciencia de la observación o de la hipótesis? ¿En qué rama/ramas de la biología lo clasificaría? Descubierto el eslabón perdido en la evolución de las células complejas Noticia destacada de la semana tomada de SINC 06/05/2015. Fuente: acercaciencia Un equipo de investigación, dirigido por la Universidad de Uppsala (Suecia), presenta el descubrimiento de un nuevo microbio, Lokiarchaeota, que representa un eslabón perdido en la evolución de la vida compleja. El trabajo proporciona además una nueva comprensión de cómo, hace miles de millones de años, los tipos de células complejas que comprenden plantas, hongos, animales y seres humanos, evolucionaron a partir de los microbios sencillos. Las células son la base de la vida en nuestro planeta. Sin embargo, mientras que las de las bacterias y otros microbios son pequeñas y sencillas, toda la vida visible –incluidos los seres humanos– se componen por lo general de células grandes y complejas. El origen de estos tipos de células complejas ha sido durante mucho tiempo un misterio para la comunidad científica. Ahora, investigadores de la Universidad de Uppsala en Suecia, en colaboración con la Universidad de Bergen (Noruega), han descubierto un nuevo grupo de microorganismos, al que han denominado Lokiarchaeota (o Loki para abreviar), que representa un eslabón perdido en la transición evolutiva de las células simples a las complejas. El estudio se publica en la revista Nature. “El enigma del origen de la célula eucariota es muy complicado. Esperábamos que Loki revelara algunas piezas más de este rompecabezas, pero cuando obtuvimos los primeros resultados, no podíamos creer lo que veíamos. Los datos simplemente eran espectaculares”, dice Thijs Ettema del departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de Uppsala. En la década de 1970, el biólogo Carl Woese descubrió un nuevo grupo de microorganismos, las arqueas, y demostró que éstos representan una rama separada en el árbol de la vida, un hallazgo que sorprendió a la comunidad científica de la época. A pesar de que las células de arqueas eran simples y pequeñas, como las bacterias, los investigadores descubrieron que estaban estrechamente relacionadas con los organismos de células complejas, un grupo conocido colectivamente como eucariotas. 19 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ “Mediante el estudio de su genoma, encontramos que Loki representa una forma intermedia entre las células simples de los microbios, y los tipos de células eucariotas complejos”, añade Ettema. Cuando los científicos colocaron a Loki en el árbol de la vida, confirmaron esta idea. “Loki formó un grupo bien consolidado con los eucariotas en nuestros análisis”, dice Lionel Chico, otro de los científicos involucrados en el estudio de la Universidad de Uppsala. Escondido en el Castillo de Loki El nombre Lokiarchaeota se deriva del entorno hostil cerca de donde se encontró, el Castillo de Loki, un sistema de ventilación hidrotermal ubicado en la Cordillera del Atlántico, entre Groenlandia y Noruega, a una profundidad de 2.352 metros. “Las fuentes hidrotermales son sistemas volcánicos situados en el fondo del océano. El lugar donde se hallaba Loki estaba fuertemente influenciado por la actividad volcánica, pero en realidad tiene una temperatura bastante baja”, apunta Steffen Jørgensen de la Universidad de Bergen, que participó en la toma de las muestras. Según afirma Anja Spang, investigadora del departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de Uppsala: “Hemos encontrado que Loki comparte muchos genes exclusivamente con eucariotas, lo que sugiere que la complejidad celular surgió en una etapa temprana en la evolución de dicho eucariotas”. “Los ambientes extremos generalmente contienen una gran cantidad de microorganismos desconocidos, a los que nos referimos como la materia oscura microbiana“, continúa Jimmy Sierra, también de la Universidad de Uppsala. Al explorar la materia oscura microbiana con nuevas técnicas de genómica, Thijs Ettema y su equipo esperan encontrar más pistas sobre cómo han evolucionado las células complejas. “En cierto modo, estamos empezando. Todavía hay mucho por descubrir, y estoy convencido de que nos veremos obligados a revisar los libros de texto de Biología con más frecuencia en un futuro cercano”, concluye Ettema. Fuente: SINC, publicación del día 06/05/2015. 12- Lee la siguiente noticia: “Crean la primera hoja artificial capaz de generar oxígeno” http://www.eltiempo.com/estilo-de-vida/ciencia/crean-la-primera-hoja-artificial-capaz-de-generaroxigeno/14331281 20 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Crean la primera hoja artificial capaz de generar oxígeno El descubrimiento fue presentado por el investigador Julian Melchiorri el 1 de agosto 2014. Por: El Mercurio GDA | Con el nombre de ‘Silk Leaf´ el investigador Julian Melchiorri, graduado del Royal College of Arts de Londres, presentó la primera hoja sintética capaz de crear oxígeno por sí misma. Las hojas artificiales funcionan gracias a una proteína de seda integrada por cloroplastos extraídos directamente desde las plantas. Estos compuestos, encargados tradicionalmente de llevar a cabo la fotosíntesis, son los que permiten que el descubrimiento pueda convertir el agua, el dióxido de carbono y la luz en oxígeno, un proceso que se ve complementado por la seda que permite estabilizar las moléculas orgánicas. Melchiorri ha sido reconocido entre la comunidad científica como el primero en ser capaz de realizar el proceso de fotosíntesis de forma artificial. Según Melchiorri, este invento podría ser implementado en estructuras arquitectónicas, tanto en exterior como interior, para complementar los sistemas de ventilación y permitir la creación de más oxígeno que el que se consume. Según el joven la utilidad no se quedaría sólo en la Tierra pues estas hojas artificiales podrían ser utilizadas para naves o estructuras de exploración espacial, escenarios donde podrían remplazar a las plantas que no pueden florecer normalmente por la gravedad cero. El MercurioGDA ¿Dentro de qué ramas de la biología considera que se realizó la investigación? ¿Cuáles cree que son los objetivos de esta investigación y descubrimiento? ¿Considera que es relevante el descubrimiento? ¿Por qué? 13- Lee el siguiente texto, identifica diferentes hipótesis y como fueron refutadas o confirmadas. A qué teoría/s científicas contribuyeron las hipótesis identificadas? La ciencia en movimiento: El caso de la “Generación espontánea” Entre los numerosos interrogantes que los científicos y pensadores se plantearon a lo largo de los siglos acerca de "la vida", la pregunta sobre el origen de los organismos que los rodeaban tuvo un papel central. Ante la 21 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ ausencia de un mecanismo claro que explicara la permanente aparición de nuevos animales, muchos se volcaron hacia la llamada idea de la generación espontánea. Desde épocas muy antiguas, varias culturas creían que los seres vivos simples, como los gusanos, los insectos, las ranas y las salamandras podían originarse en forma espontánea en el polvo o en el cieno; que los roedores se desarrollaban de los granos húmedos y que los pulgones de las plantas se condensaban a partir de una gota de rocío. Un naturalista belga, Jan Baptiste van Helmont (1577-1644), partidario de esta idea, realizó una experiencia para demostrar la existencia de este fenómeno y la registró de esta manera en Ortus Medicinae, en 1667. "... Las criaturas como los piojos, las garrapatas, las pulgas y los gusanos son nuestros miserables huéspedes y vecinos, pero nacen de nuestras entrañas y excrementos. Porque si colocamos ropa interior llena de sudor con trigo en un recipiente de boca ancha, al cabo de veintiún días el olor cambia, y el fermento, surgiendo de la ropa interior y penetrando a través de las cáscaras de trigo, cambia el trigo en ratones. Pero lo que es más notable aún es que se forman ratones de ambos sexos y que éstos se pueden cruzar con ratones que hayan nacido de manera normal... pero lo que es verdaderamente increíble es que los ratones que han surgido del trigo y la ropa íntima sudada no son pequeñitos, ni deformes ni defectuosos, sino que son adultos perfectos...”. Esta experiencia resultó un evento muy interesante en la historia de la ciencia. A pesar de que las condiciones experimentales no estaban controladas y no había prueba de que los eventos descritos por van Helmont de hecho ocurrieran, este trabajo apoyó la idea de la generación espontánea. Tendrían que pasar más de 200 años para llegar a la refutación final de la idea de la generación espontánea. Pasada ya la primera mitad del siglo XVII, la idea de la generación espontánea todavía seguía presente en las mentes de muchos pensadores. En 1668, el toscano Francisco Redi (1626-1697), médico del gran Duque de Etruria, publicó un libro titulado "Experienze in torno de la generazione deg'Insetti" en el que planteó un experimento sencillo pero contundente para refutar las creencias acerca de la aparición súbita y espontánea de los seres vivos. La preocupación de Redi era investigar el origen de los gusanos que aparecían en la carne en descomposición. Para dilucidar si era cierta la noción de que los gusanos surgían por generación espontánea o si estos organismos tenían otro origen, Redi llevó a cabo un experimento en el que puso carne de serpiente recién muerta en un grupo de recipientes de boca ancha, algunos con tapas, algunos cubiertos con una tela delgada y otros abiertos, y observó que las larvas solamente aparecían en los frascos abiertos. La explicación fue que los gusanos aparecían sólo en los frascos en los que las moscas podían entrar y depositar sus huevos. 22 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ El experimento de Redi fue modelo en su época ya que, si bien no controló todas las variables, fue el primer estudio experimental en el que un naturalista utilizó los llamados "testigos". Los resultados de Redi no fueron generalizados a otros organismos más pequeños, pero su experimento sentó las bases para una extensa polémica sobre la generación espontánea de los seres vivos en años subsiguientes. A mediados del siglo XVI, la vieja idea de la generación espontánea todavía gozaba de buena salud. A pesar de que la generación espontánea había sido refutada, al menos para el caso de los gusanos, el origen súbito de los microorganismos había resurgido con el advenimiento de microscopios mejorados. Así, en 1748, todavía era una explicación posible para el origen de los seres vivos. Tanto era así que aún provocaba encendidas discusiones entre los científicos partidarios y detractores de esta explicación sobre el origen de nuevos seres vivos. John Needham (1713-1781), un naturalista inglés, y el investigador italiano Lázaro Spallanzani (17291799) sostuvieron una célebre disputa acerca del origen de los microorganismos en caldos de cultivo. Needham, que había adquirido celebridad en la Royal Society, atribuía la presencia de microorganismos en los caldos a la presencia de una "fuerza vital". En 1748, realizó un experimento que sería famoso. Needham colocó caldo de carnero recién retirado del fuego en un tubo de ensayo y cerró el tubo con un corcho. Luego, lo calentó "para matar a todos los animalillos o huevos que pudieran quedar dentro de la botella". Después de algunos días, el caldo estaba lleno de microorganismos. Needham dedujo entonces que estos microorganismos se habían originado de la materia inanimada, y creyó demostrar así la existencia de la generación espontánea, al menos, en los microorganismos. Esta polémica continuaría, todavía por más de un siglo. El italiano Lázaro Spallanzani (1729-1799) era contrario a la idea de la generación espontánea que todavía rondaba los ámbitos científicos. Esta polémica tenía ya más de un siglo: había sido iniciada por Jan van Helmont (1577-1644) con un experimento de generación espontánea. Por otra parte, Francisco Redi (16261697) había logrado la refutación de la generación espontánea en gusanos. La polémica se había reabierto con Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723), quien había observado la presencia de microorganismos que aparecían por generación espontánea bajo el microscopio. Spallanzani dudaba de los resultados de los últimos experimentos que apoyaban la generación espontánea que habían sido realizados en 1748 por John Needham (1713-1781). Spallanzani era un investigador cuidadoso, que se ordenó como sacerdote, pero se entregó con ardor a poner en duda todas las preconcepciones del momento referidas al mundo natural. Con respecto al experimento realizado por Needham, Spallanzani pensó que el hervor había sido insuficiente y que el caldo no 23 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ se había esterilizado adecuadamente. Además, sospechaba que el corcho no cerraba herméticamente el frasco. Por lo tanto, en 1768 realizó una nueva serie de experimentos en los que hirvió entre 30 y 45 minutos frascos que contenían un caldo nutritivo. Algunos de los frascos estaban sellados y otros no. Spallanzani observó que en los frascos sellados no había microorganismos y demostró así que la generación espontánea no se producía. Needham, sin embargo, seguía sosteniendo lo contrario y fue a París, donde buscó el apoyo del célebre zoólogo Georges Louis Leclerc, conde de Buffon (1707-1788). Ambos personajes desarrollaron nuevas teorías que no tenían ningún correlato con la experiencia. Buffon y Needham objetaron el procedimiento experimental que Spallanzani había llevado a cabo y sostuvieron que el prolongado hervor había matado la "fuerza vital", algo imperceptible y desconocido que posibilitaba la aparición de la vida en la materia inanimada. Spallanzani continuó realizando otros experimentos una y otra vez demostró su postura. Finalmente, consideró que el tema ya estaba cerrado y se dedicó a realizar otros estudios como los de reproducción animal, fecundación e inseminación artificial en animales. Pero aún no estaba dicha la última palabra. A fines del siglo XVII, la problemática sobre la generación espontánea de los microorganismos, varias veces echada por tierra, aún seguía viva. Esta polémica tenía ya casi dos siglos: había sido iniciada por Jan van Helmont (1577-1644) con un experimento de generación espontánea. Por otra parte, Francisco Redi (16261697) había logrado la refutación de la generación espontánea en gusanos. La polémica se había reabierto con Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723), quien había mostrado microorganismos que aparentemente aparecían por generación espontánea bajo el microscopio. En 1768, Spallanzani, dudó de los resultados de los últimos experimentos que apoyaban la generación espontánea, que habían sido realizados en 1748 por John Needham (1713-1781). Repitió los pasos de Needham, pero en condiciones más rigurosas y controladas. Así pudo concluir que la generación espontánea no se producía. Sin embargo, en 1858 todavía quedaban dudas. Es en ese entonces que Louis Pasteur (1822-1895) entra en la escena de esta encendida y antigua polémica. Pasteur fue un científico prolífico. Sus estudios abarcaron los temas más diversos y muchos constituyeron verdaderas proezas científicas. Este químico francés, entre muchas otras cosas, sentó las bases de la cirugía aséptica, realizó estudios que ayudaron a atacar el carbunco, produjo una vacuna contra la rabia y salvó a la industria de la seda francesa de la extinción al dilucidar cómo se transmitía una enfermedad que atacaba al gusano de seda. En 1858, Pasteur hizo su ingreso en la candente problemática de la generación espontánea. El 20 de diciembre de 1858, en una nota dirigida a la Academia de Ciencias, el director del Museo de Historia Natural 24 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ de Ruan, Félix-Archimède Pouchet (1800-1876), se definió claramente en favor de la generación espontánea y publicó al año siguiente un volumen sobre L'Hétérogénie ou Traité de la génération spontanée. "Cuando la meditación me llevó a la certeza de que la generación espontánea es todavía uno de los medios empleados por la Naturaleza para la reproducción de los seres, me dediqué a descubrir mediante qué procedimientos podrían evidenciarse estos fenómenos." Tan categórica afirmación provocó numerosas réplicas, y Pasteur escribió a Pouchet: "Pienso que cometéis un error, no al creer en la generación espontánea (porque en semejante problema es difícil no tener ideas preconcebidas), sino al afirmar la generación espontánea. En las ciencias experimentales es siempre erróneo no dudar mientras los hechos no nos obliguen a hacer una afirmación. En mi opinión, se trata de un asunto en el que se carece por completo de pruebas decisivas." Pasteur estaba convencido de que, si bien el método experimental puede no ser capaz de resolver por completo el misterio del universo, siempre es capaz de responder sin ambigüedades a preguntas definidas, siempre que sean formuladas en términos precisos. Afirmaba que el método experimental raramente lleva por mal camino, y eso le ocurre sólo a aquellos que no lo usan bien. Para sostener su afirmación, Pouchet realizó varios experimentos. Entre ellos, sobre una cuba de mercurio introdujo con la boca hacia abajo, un frasco lleno de agua destilada y hervida, lo destapó, instiló en él un poco de oxígeno y de nitrógeno obtenidos por métodos químicos, y luego una borra de heno extraída de otro frasco que había mantenido en una estufa durante veinte minutos. Después de algunos días, el agua estaba llena de microorganismos. Pasteur cuestionó la introducción de "aire común" al que adjudica la contaminación microbiana del mercurio. Inicia así las experiencias contundentes que pondrán fin a un debate milenario. A pesar de los resultados de Pasteur, Pouchet no se mostró vencido y continuó sus experimentos. Avanzado ya el siglo XIX, la controversia sobre la idea de la generación espontánea continuaba en ebullición. Esta larga polémica había sido iniciada por Jan van Helmont (1577-1644) con un experimento de generación espontánea. Más tarde, Francisco Redi (1626-1697) había logrado la refutación de la generación espontánea en gusanos. La polémica se había reabierto con Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) y sus microorganismos que parecían aparecer por generación espontánea bajo el microscopio. En 1768, Spallanzani, dudando de los resultados de los últimos experimentos que apoyaban la generación espontánea, que habían sido realizados en 1748 por John Needham (1713-1781), repitió los pasos de Needham y pudo concluir que la generación espontánea no se producía. Las controversias aún continuaron y en 1858 todavía quedaban dudas. Es en ese entonces que Louis Pasteur (1822-1895) entra en la escena de esta encendida y antigua polémica. En 1864, la discusión acerca de la generación espontánea de los 25 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ microorganismos se había vuelto tan fogosa que la Academia de Ciencias de París ofreció un premio para los experimentos que arrojaran nueva luz sobre el problema. Los experimentos debían hacerse en el Museo de Historia Natural con requisitos claramente establecidos. Los partidarios de la generación espontánea tenían sus propios programas preparados y se retiraron en actitud de protesta. Solo quedó Louis Pasteur (1822-1895) para realizar las investigaciones. Entre los experimentos que realizó Pasteur para refutar la generación espontánea, uno merece especial énfasis por su gran simplicidad y su carácter decisivo. Pasteur usó matraces con cuello de cisne que permitían la entrada del oxígeno –elemento que se creía necesario para la vida– mientras que en sus cuellos largos y curvados quedaban atrapadas bacterias, esporas de hongos y otros tipos de vida microbiana. De esta manera, se impedía que el contenido de los matraces se contaminara. Pasteur mostró que si se hervía el líquido en el matraz, matando a los organismos ya presentes, y se dejaba intacto el cuello del frasco, no aparecería ningún microorganismo. Solamente si se rompía el cuello curvado del matraz, lo que permitiría que los contaminantes entraran en el frasco, aparecerían microorganismos. Algunos de sus matraces originales, todavía estériles, permanecen en exhibición en el Instituto Pasteur de París. "La Vida es un germen y un germen es Vida" proclamó Pasteur en una brillante "velada científica" en la Sorbona, ante lo más selecto de la sociedad parisina. "Nunca la doctrina de la generación espontánea se recuperará del golpe mortal que le asestó este simple experimento". Sin embargo, si los partidarios de la generación espontánea hubieran realizado las experiencias, Pasteur habría perdido el debate. Pasteur usaba agua de levadura para sus cultivos mientras que su contendiente más feroz, Félix-Archimède Pouchet (1800-1876), utilizaba agua de heno, que hoy sabemos que contiene gérmenes que no mueren a 100 °C y que se desarrollan ante la entrada de una pequeña cantidad de oxígeno. Este hecho, como veremos, le habría otorgado el triunfo en la compulsa. Tiempo después Pasteur descubrió que si no se alcanzaba una temperatura de 120 °C no había seguridad de matar a todos los gérmenes. Este descubrimiento determinó que, a partir de ese momento, el autoclave –un instrumento que permite alcanzar el punto de ebullición a temperaturas mayores de 100 ºC– pasara a ser un elemento indispensable para la antisepsia. Pasteur advirtió la necesidad, no sólo de usar el autoclave, sino también de esterilizar al fuego los instrumentos y los aparatos que se utilizaran. Para destruir todos los gérmenes, era necesario pasar los instrumentos por la llama, que los eliminaría más fácilmente mientras más secos estuvieran. Llamativamente, a pesar de los contundentes resultados de Pasteur, la victoria de los detractores de la idea de la generación espontánea aún no era completa. Poco tiempo después de la muerte de Claude Bernard (1813-1878), la Revue Scientifique publicó artículos de su autoría sobre el proceso de 26 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ fermentación. Pasteur sostenía que la fermentación era obra directa de algún ser vivo, mientras que Claude Bernard atribuía a los fermentos no sólo el proceso de fermentación, sino también la formación de los microbios que lo acompaña; la generación espontánea nuevamente en escena. Para Bernard, la fermentación comenzaba sin gérmenes mientras que Pasteur sostenía que la presencia de gérmenes era indispensable para que la fermentación se iniciara. Ante esta disyuntiva, Pasteur construyó un invernadero hermético. Puso en él uvas a crecer, libres de microbios –ya que éstos se depositan en la maduración de la fruta–. Para evitar la contaminación, rodeó los racimos con algodón. Llegada la época de recolección, se aplastaron las uvas y se colocaron en un ambiente calefaccionado para favorecer la fermentación. El resultado fue definitorio: la fermentación no se produjo en las uvas crecidas en ausencia de microbios, mientras que los racimos que no estaban en el invernadero comenzaron a fermentar a las 48 horas. Luego, al exponer los racimos protegidos al aire o agregarles algunos granos de los racimos previamente expuestos, la fermentación se inició. Los resultados fueron concluyentes: nada podía suplir el papel de los gérmenes en el proceso de fermentación, ni ningún fermento podía hacer que surgieran. Al quedar definitivamente refutada la idea de la generación espontánea por los experimentos de Pasteur, el problema del origen de la vida en la Tierra quedó relegado. Los científicos del siglo XIX no disponían aún de una explicación alternativa para este evento. Recién 50 años más tarde, Alexandr I. Oparin (1894-1980) y John B. S.Haldane (1892-1964) proporcionaron un marco teórico para interpretar el paso de la materia inanimada a la materia viva y este problema se tornó susceptible de ser experimentado. Actividades: a- Identificar la o las hipótesis evaluadas por cada uno de los investigadores a lo largo de la historia b- ¿Qué procedimientos experimentales realizaron para probar su hipótesis en cada caso? c- A través de la observación de los resultados obtenidos, ¿a qué conclusiones arriba cada investigador? Refutan o confirman su/sus hipótesis? d- ¿A qué teoría contribuyeron estos descubrimientos? ¿cuál es la teoría actual? ¿en qué se basa? 27 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Unidad 2 ¿QUÉ ES LA VIDA? ¿Qué es lo que queremos decir cuando hablamos de "la evolución de la vida” o "la vida en otros planetas" o "cuándo comenzó la vida"? En realidad, no hay una definición simple acerca de qué es la vida. La vida no existe en abstracto. No hay vida, sino seres vivos. Más aún, no hay una manera sencilla y única de trazar una línea demarcatoria entre lo vivo y lo no vivo. Toda persona, aunque se encuentre desprovista de una cultura científica, es capaz de reconocer cierto rasgo común que permite reunir bajo la noción de "ser vivo" a un hombre, un insecto y una planta, entre otros, y diferenciarlos de lo no vivo. Pero, ¿cuál es ese rasgo común que pertenece sólo al mundo viviente? Aunque reconocible, ese rasgo, es, en principio, difícil de definir. A medida que avancemos, veremos que los seres vivos comparten múltiples características. A lo largo de la historia siempre se ha discutido qué significa "estar vivo". Hasta hace bastante poco tiempo, unos 200 años, muchos biólogos prominentes creían que los sistemas vivos son esencialmente diferentes de los sistemas no vivos, y que los primeros contienen dentro de sí un "espíritu vital" que los capacita para desempeñar actividades que no pueden ser llevadas a cabo fuera de un organismo vivo. Este concepto se conoce como vitalismo, y a quienes lo proponían, como vitalistas. En el siglo XVII, los vitalistas tuvieron oposición por parte de un grupo conocido como mecanicistas. Este grupo consideraba a la vida como algo muy especial, pero no fundamentalmente distinto de los sistemas del mundo inanimado. El filósofo francés René Descartes (1596-1650) fue un destacado defensor de este punto de vista. Los mecanicistas comenzaron mostrando que el cuerpo trabaja esencialmente de la misma manera que una máquina; los brazos y las piernas se mueven como palancas, el corazón como una bomba, los pulmones como fuelles y el estómago como un mortero con su mano. Estos modelos mecánicos simples eran de gran utilidad para la comprensión del funcionamiento del cuerpo animal. En el siglo XIX, el debate acerca de las características distintivas de los sistemas vivos había progresado más allá. Entonces el argumento se centró en si la química de los organismos vivos está gobernada o no por los mismos principios que la química realizada en el laboratorio. Los vitalistas sostenían que las operaciones químicas llevadas a cabo por los tejidos vivos no podían desarrollarse experimentalmente en el laboratorio, y 28 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ clasificaban a las reacciones en dos categorías: "químicas" y "vitales". Sus opositores, conocidos también como Reduccionistas (dado que creían que las operaciones complejas de los sistemas vivos podían reducirse a otras más simples y más fácilmente comprensibles), lograron una victoria parcial cuando el químico alemán Friedrich Wöhler (1800-1882) convirtió una sustancia "inorgánica", el cianato de amonio, en una sustancia conocida presente en los seres vivos, la urea. Por otra parte, los alegatos de los vitalistas estaban apoyados por el hecho de que, a medida que el conocimiento químico mejoraba, en los tejidos vivos se encontraban muchos compuestos nuevos que nunca habían sido vistos en el mundo no vivo o inorgánico. A fines del siglo XIX, el principal vitalista era Louis Pasteur, quien sostenía que los cambios que tenían lugar cuando el jugo de fruta se transformaba en vino eran "vitales" y podían ser llevados a cabo sólo por células vivas, las células de levadura. A pesar de los muchos avances que se produjeron en la química, esta etapa de la controversia duró hasta casi terminar el siglo. En 1898, los químicos alemanes Edward y Hans Buchner mostraron que una sustancia extraída de las levaduras podía producir fermentación fuera de la célula viva. A esta sustancia se le dio el nombre de enzima, derivado de zyme, palabra griega que significa “levadura” o “fermento”. Así, se demostró que una reacción “vital” era una reacción química, y el asunto fue finalmente dejado de lado. En la actualidad se acepta generalmente que los sistemas vivos “obedecen” a las leyes de la química y de la física, y los biólogos modernos ya no creen en un “principio vital”. Las características de la vida Si hay algo que todos los seres vivos comparten es una historia evolutiva. Esta historia se refleja en las características que presentan y que permiten diferenciarlos de aquello que no está vivo. Los fundamentos de la biología moderna incluyen no solamente la evolución, sino también otros principios que subyacen a los procesos evolutivos y que se encuentran tan bien establecidos que los biólogos raras veces los discuten. Uno puede leer la vasta literatura biológica actual sin que se mencione a ninguno de ellos, pero es imposible comprender las ideas o los datos de la biología contemporánea sin estar enterado de su existencia. Estos principios deben tenerse en cuenta desde el inicio ya que son ellos los pilares de lo que llamamos vida. Los seres vivos son sistemas abiertos que almacenan y procesan información. La comprensión de que los sistemas vivos obedecen a las leyes de la física y de la química abrió una nueva era en la historia de la biología. Se estudió un número creciente de organismos desde el punto de vista de su composición y de las reacciones químicas que tenían lugar dentro de ellos. Si bien la postura vitalista fue descartada, la postura mecanicista tampoco pudo explicar en su totalidad cómo funcionan los seres vivos. Hoy 29 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ sabemos que las propiedades de cualquier sistema vivo no son la mera suma de las de sus componentes sino que, en cada nivel de organización, surgen propiedades nuevas o emergentes. Volviendo a la pregunta acerca de qué caracteriza a la vida, podemos destacar un rasgo fundamental: los seres vivos intercambian sustancias y energía con el medio externo, es decir, funcionan como un sistema abierto. Las sustancias que se incorporan a un organismo ingresan a una red de reacciones químicas en las que esas sustancias se degradan o se utilizan para la construcción de compuestos más complejos. Los organismos vivos son también expertos en la conversión energética. La energía que ingresa, ya sea en la forma de luz solar o de energía química almacenada en los alimentos, es transformada y usada por cada célula individual para hacer el trabajo celular. Este trabajo incluye el dar energía no sólo para los numerosos procesos que constituyen las actividades del organismo sino también para la síntesis de la enorme diversidad de moléculas y estructuras celulares. La energía puede adoptar diferentes formas. En el curso del trabajo celular, por ejemplo, la energía lumínica puede transformarse ulteriormente en energía química, en energía térmica o de nuevo en energía luminosa. La energía térmica finalmente se disipa y el organismo debe incorporar más energía. EI conjunto de reacciones químicas y de transformaciones de energía que involucran la síntesis y degradación de moléculas relativamente simples, constituyen el metabolismo. Otro hecho crucial para la existencia de la vida es que, aunque los organismos intercambian materiales continuamente con el mundo externo, son capaces de mantener un medio interno estable dentro de ciertos límites. A diferencia de lo que ocurre a su alrededor, mantienen una composición química que puede llegar a ser muy diferente del ambiente variable. Los seres vivos son, por esa razón, homeostáticos, lo cual significa simplemente que "se mantienen relativamente estables". El intercambio y las transformaciones de materia y energía pueden encontrarse también en el mundo inanimado. Sin embargo, hay una diferencia cualitativa entre los sistemas vivos y todos los otros sistemas abiertos no vivos: en los seres vivos, los cientos de miles de las reacciones químicas que se producen son coordinadas en el tiempo y en el espacio en forma ordenada. Ese orden tiende a la autoconservación y a la autorregulación del sistema vivo en su conjunto y permite la existencia del organismo en las condiciones variables del medio exterior. El intercambio de materia y energía con el medio ambienté manifiesta la interacción física que existe entre los organismos y el medio que los rodea. Sin embargo, ésta no es la única interacción que se produce entre los seres vivos y el medio ambiente. Existe otra forma de interacción característica, el intercambio de información. 30 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ La información proveniente del ambiente en el que se encuentra un individuo se obtiene a través de los sentidos. Todos los organismos obtienen información del medio que los rodea y, de esa manera son capaces de responder a las condiciones ambientales. La capacidad de autorregulación y de autoconservación y de reaccionar frente a estímulos yace en la existencia de un manual de instrucciones: el material genético. El tipo de información que éste contiene también es intercambiada entre organismos, tema que trataremos más adelante al referimos a la perpetuación de la vida. De esta manera, los seres vivos interactúan en forma permanente con el medio que los rodea. Todos los organismos están formados por células. Uno de los principios fundamentales de la biología es que todos los organismos vivos están compuestos de una o más unidades similares conocidas como células. Este concepto es de una tremenda importancia en biología, porque coloca el énfasis en la uniformidad básica de todos los sistemas vivos. Por lo tanto, concede un fundamento unitario a estudios muy diversos relativos a muchos tipos diferentes de organismos. La palabra "célula", fue usada por primera vez en un sentido biológico hace aproximadamente 300 años. En el siglo XVII, el científico inglés Robert Hooke, usando un microscopio fabricado por él mismo, notó que el corcho y otros tejidos vegetales estaban constituidos por pequeñas cavidades separadas por paredes. Llamó a estas cavidades "células", cuyo significado es “habitaciones pequeñas". Sin embargo, la “célula" no adoptó su acepción actual, la unidad básica de la materia viva, hasta unos 150 años después. En 1838. Matthias Schleiden, un botánico alemán, llegó a la conclusión de que todos los tejidos vegetales consisten en masas organizadas de células. Al año siguiente, el zoólogo Theodor Schwann extendió las observaciones de Schleiden a los tejidos animales y propuso una base celular para toda forma de vida. En 1858, la idea de que todos los organismos vivos están compuestos de una o más células adquirió un significado aun más amplio cuando el patólogo Rudolf Virchow generalizó que las células pueden surgir solamente de células preexistentes: "Donde existe una célula debe haber habido una célula preexistente, así como un animal surge solamente de un animal y una planta surge solamente de una planta. A través de toda la serie de formas vivas, sean organismos animales o vegetales enteros, o sus partes componentes, gobierna una ley de desarrollo continuo". A partir de la perspectiva dada por la teoría de la evolución de Darwin, publicada en el año siguiente, el concepto de Virchow tomó aun mayor significación. Hoy sabemos que hay una continuidad ininterrumpida 31 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ entre las células modernas (y los organismos que ellas componen) y los organismos unicelulares primitivos que aparecieron por primera vez sobre la Tierra hace más de tres mil millones de años. La vida se perpetúa Una de las características más sorprendentes de los seres vivos es su capacidad de autorreproducirse, de transmitir información a su descendencia y así generar nuevos seres vivos con sus mismas características. Sin esta capacidad, los seres vivos no podrían persistir en el tiempo, generación tras generación. Los organismos, en general, atraviesan un ciclo vital en el cual crecen, se desarrollan y se reproducen. El crecimiento implica un aumento del volumen e involucra la síntesis de las macromoléculas que caracterizan a los seres vivos. Un organismo puede crecer debido al aumento del número o del tamaño de sus células. Mientras crecen, la mayoría de los organismos se transforman. La reproducción y las transformaciones de un organismo pueden ser tan simples como en una bacteria que se divide en dos, o tan complejas como la fecundación y el desarrollo posterior que incluye la metamorfosis de un anfibio. En forma general, el desarrollo abarca todos los cambios que se producen durante la vida de un organismo. La reproducción ocurre con una fidelidad sorprendente y aun así, se producen variaciones que suministran la materia prima sobre la que actúa la evolución. Hasta el siglo XVI, se pensaba que la generación de los organismos siempre involucraba la intervención de un acto de creación divina. En el siglo XVII, comenzó a tomar fuerza la idea de que algunos seres vivos podían surgir por generación espontánea, a partir de sustancias del medio. Estas ideas generaron un largo debate que duró aproximadamente 200 años. En 1864, Louis Pasteur descartó definitivamente esta idea por medio de elegantes experimentos que constituyeron la base de la biología experimental moderna. A partir de los experimentos de Pasteur se consolidó entonces la idea de Virchow, de que todo organismo proviene de uno semejante preexistente. Recordemos que en el siglo XVII ya se habían construido microscopios. Por medio de estos instrumentos, se hallaron tanto en las hembras como en los machos las estructuras celulares que intervienen en la reproducción sexual: los óvulos y los espermatozoides. Como veremos más adelante, algunos observadores creyeron ver en los espermatozoides un futuro ser humano. Así surgió la idea de que, a su vez, esta diminuta forma contendría otra, y así sucesivamente. Según este concepto, todos los posibles miembros de una especie preexistirían ya en el primero de sus miembros. 32 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ En los años siguientes se realizaron trabajos que echaron por tierra esta idea y abrieron los campos de estudio hoy conocidos como histología, anatomía comparada, embriología y citología. La idea de reproducción comenzó a vincularse con la noción de especie y así se abrió el camino para el surgimiento de los conceptos evolucionistas que habrían de dar una unidad a la diversidad de explicaciones acerca de qué es la vida. Sin embargo, hubo que esperar hasta la década de 1950 para comprender que la capacidad de un organismo de producir copias fieles de sí mismo reside en un tipo único de molécula química, el ácido desoxirribonucleico (DNA). La carrera para descubrir la estructura de esta molécula comenzaba, y la pregunta en la mente de todos era si la estructura de esta molécula “simple” podría explicar o no los misterios de la herencia. La respuesta fue afirmativa. Las formas de vida: unidad y diversidad. Si bien los seres vivos comparten las características que hemos analizado, existen en una gran diversidad de formas y funciones y esto es consecuencia del proceso evolutivo. Se estima que compartimos este planeta con más de cinco millones de especies diferentes de organismos que exhiben una gran variedad en la organización de sus cuerpos, en sus patrones de reproducción, crecimiento y desarrollo, y en su comportamiento. Existen algunas otras características que presentan los seres vivos, pero también hay excepciones a las reglas generales que mencionamos con anterioridad. A pesar de la aparentemente abrumadora diversidad de organismos vivos, es posible agruparlos de modo que revelen no sólo patrones de similitudes y diferencias, sino también relaciones históricas entre los diferentes grupos. Así, será interesante enterarse de la existencia de las grandes categorías en las que se agrupan los seres vivos. En los últimos cien años, nuestro conocimiento de la diversidad dé los organismos, pasados y presentes, de los procesos que ocurren dentro de sus cuerpos y de las interrelaciones entre ellos ha sobrepasado rápidamente al obtenido en todos los siglos previos del saber humano. Esta explosión del conocimiento, que continúa a un ritmo aun más acelerado, es la consecuencia directa de la forma particular de estudio que nosotros llamamos ciencia (del latín scientia, "conocimiento"). Biodiversidad ¿Qué es la biodiversidad? 33 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ A diferencia de los planetas vecinos del Sistema Solar, la Tierra es el único conocido en el que se han dado las condiciones para que se desarrolle la vida como la conocemos. Cualquiera que sea el modo en el que la definamos, la vida es, en todas sus manifestaciones de forma y color, actuales y pasadas, el resultado de más de 3.500 millones de años de evolución. Este largo y complejo proceso ha generado la enorme diversidad biológica que conocemos y de la que también formamos parte los seres humanos. Quizá cuando piensas en la biodiversidad vengan a vos imágenes de aves revoloteando, monos en el dosel de la selva o insectos inundando con sus sonidos el ambiente, pero también lo es la exuberante selva, los secos desiertos y los fríos bosques. Incluso, las variedades de maíz o papa que ves en la verdulería son manifestaciones de la biodiversidad. Las maravillas de la biodiversidad están en casi cada rincón de nuestro mundo y nos invitan a descubrirlas y a sorprendernos de ellas. La diversidad biológica, sin embargo, enfrenta un momento crucial en su historia. El desarrollo y avance tecnológico de la humanidad han ido desafortunadamente de la mano del deterioro y la pérdida de la biodiversidad. Ahora, más que nunca, es nuestra responsabilidad poner empeño en proteger y recuperar ese valioso capital natural. ¿Cómo se define y estudia la biodiversidad? El término biodiversidad es relativamente reciente y fue sugerido por primera vez en 1985 por el científico Walter G. Rosen como una contracción del concepto diversidad biológica. En su sentido más amplio, biodiversidad se refiere a la gran variedad de organismos y ecosistemas que existen sobre la Tierra. Representa el capital natural de una región y es tan importante como los otros capitales que generalmente reconocemos: el económico y el humano. La biodiversidad no sólo se refleja en la variedad de especies, sino también en las diferencias que existen entre los individuos de una especie o en la gama de ecosistemas existentes. Por ejemplo, si observamos con detalle dos gorriones, si bien son de la misma especie, rápidamente descubriremos que no son exactamente iguales, aunque se vean muy parecidos son las pequeñas diferencias en la forma, color o tamaño lo que nos permiten distinguirlos, lo mismo ocurre con dos champiñones o dos pinos. Para entender mejor la biodiversidad, los expertos han dividido su estudio en tres niveles: i) diversidad genética, ii) de especies y iii) de ecosistemas (Figura 1). La variación genética (primer nivel de estudio) está 34 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ contenida dentro de las especies (segundo nivel) y éstas a su vez forman parte de los ecosistemas (tercer nivel). Figura 1 Niveles de estudio de la biodiversidad ¿Te has preguntado por qué cada individuo a pesar de que se parezca a otro, no es exactamente igual sino que posee características que lo hacen único? Los animales y las plantas, así como cada uno de nosotros, somos diferentes. Esto es una expresión de lo que se llama diversidad genética y se puede apreciar en los diversos colores y formas de los insectos, en las diferentes tonalidades de la piel, los ojos y el pelo de los animales e, incluso, en los sutiles cambios en los cantos de los canarios y otras aves. La diversidad genética es resultado de la variación en el contenido de la información que cada organismo tiene en el ADN de sus células. El ADN es la biomolécula en la cual se almacena la información que determina todas las características de un organismo -como el color del pelaje y de los ojos-. Cada unidad de información se denomina gen. Las diferencias en el contenido de los genes, así como la forma en que éstos se expresan en una condición ambiental particular es lo que, a fin de cuentas, distingue a cada una de las especies. Los individuos heredan estos genes de sus padres, que a su vez los heredaron de sus abuelos, de tal manera que la diversidad genética es el resultado de la acumulación de mezclas de genes ocurridas a través del paso de muchas generaciones. A lo largo de la historia, los humanos hemos aprovechado la diversidad genética existente de manera natural en las especies, para la generación de variedades de animales o plantas con características particulares que nos resultan de utilidad. Por ejemplo, la gran variedad de tipos de maíz, poroto, calabaza, o papa, son resultado de la selección y cruza que los agricultores han realizado durante muchísimos ciclos de siembra buscando mejorar, por ejemplo, su sabor, color, resistencia a condiciones extremas o plagas, e incluso, sus propiedades nutricionales. 35 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ El segundo nivel de estudio se refiere a la concepción más común de la biodiversidad, es decir, a la variedad de especies que viven en un lugar o región determinada. En una selva, por ejemplo, la diversidad de especies la integran los cientos de especies de árboles, arbustos, lianas, hongos, helechos, felinos, roedores, aves, insectos y microorganismos, entre muchas otras que ahí habitan. El tercer nivel de estudio de la diversidad biológica, es el de los ecosistemas. La diversidad de ecosistemas comprende tanto la variedad de hábitats de un área determinada (es decir, el espacio físico con características específicas de clima, suelos y topografía, entre otros aspectos) como las comunidades biológicas que los habitan (esto es, el conjunto de poblaciones de plantas, animales y microorganismos y sus interacciones entre sí y con su hábitat). Cada una de las especies dentro de los ecosistemas tiene una función en términos de su papel en las redes alimenticias; algunas son productoras de alimento (como el fitoplancton o las plantas), otras son conocidas como consumidores que pueden ser primarios si se alimentan directamente de productores como las plantas (ejemplos de ello son los herbívoros como conejos, vacas, orugas, etc.) o secundarios y terciarios, si se alimentan de individuos no productores (como los depredadores por excelencia: jaguares, águilas y tiburones). Existen también las especies descomponedoras (como los hongos y bacterias) que transforman, en el suelo, la materia orgánica de los tejidos muertos de plantas y animales en nutrientes que ponen a disposición de otras especies. Además, las especies también interactúan con su ambiente abiótico, es decir, reaccionan (y algunas veces también modifican) a las condiciones de humedad, temperatura y luz, entre otras. Puedes imaginar que si eliminamos o alteramos un elemento del ecosistema, pueden producirse efectos importantes en otras especies. ¿Cuántas especies existen? ¿Te has preguntado alguna vez cuántas especies habitan la Tierra? Hasta la fecha, la comunidad científica ha descrito aproximadamente 1,68 millones de especies y cada año se agregan a esta lista alrededor de 18.000 más, de las cuales la mayoría son plantas e insectos. Del total de especies conocidas, aproximadamente la mitad corresponde a insectos, alrededor de 16% a plantas, poco más de 5% a arácnidos y 4% a hongos. Sin embargo, las especies descritas no son todas las que habitan el planeta, ya que aún faltan muchas por descubrir. Algunos expertos calculan que este número podría oscilar entre 5 y 30 millones. Si estas cifras te parecen elevadas, te diremos que otras estimaciones ofrecen números mayores, debido a que hay 36 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ ecosistemas que no han sido explorados suficientemente (como las selvas sudamericanas o las del este de Asia) o habían permanecido prácticamente inaccesibles para el ser humano y apenas comienzan a explorarse (como las profundidades oceánicas). Otra razón que hace pensar a la comunidad científica que el total estimado de especies podría ser muy alto, es que los taxónomos (que son los expertos que se dedican a describir y clasificar a las especies) se han concentrado durante mucho tiempo en estudiar a ciertos grupos biológicos y han prestado poca atención a otros. Por ejemplo, cerca de una tercera parte de ellos estudia a los vertebrados (es decir, a las aves, mamíferos, peces, anfibios y reptiles), otra tercera parte a las plantas y la proporción restante se dedica a los muy numerosos invertebrados (como insectos, caracoles y arañas), hongos, algas y bacterias. Como verás, la colecta y el estudio se han dirigido principalmente a los grupos cuyos organismos son más evidentes, mientras que aquellos difíciles de observar a simple vista (como muchas especies de hongos, bacterias y otros organismos microscópicos), han sido menos colectados y clasificados. ¿Dónde se encuentran todas estas especies? Las especies no están distribuidas homogéneamente en el planeta, sino en patrones que están determinados por diversos factores. Mientras algunas áreas poseen una diversidad de especies excepcional (como las selvas tropicales y los arrecifes coralinos), en otras el número de especies es considerablemente menor (como en algunas regiones polares o desérticas y en las ventilas hidrotermales de los fondos oceánicos). Los expertos han identificado algunos factores que influyen en la distribución de las especies, por ejemplo la latitud, la altitud y la profundidad, así como otros de orden ambiental como la temperatura y las precipitaciones. Estos factores se correlacionan entre sí, por ejemplo, a mayor profundidad en los mares, menor es la temperatura, y a menor latitud, es decir conforme nos acercamos al Ecuador terrestre, mayor es la temperatura. ¿Cómo se relaciona la riqueza de especies con estos factores? En lo que respecta a la latitud, en general, el número de especies de plantas y animales disminuye hacia los polos y se incrementa hacia el Ecuador. Por otro lado, para la mayoría de las especies, conforme aumenta la altitud, menor es su número, es por ello que en tierras bajas generalmente se pueden encontrar más especies de las que podríamos encontrar en las cimas de las montañas y volcanes. Con respecto a la profundidad en mares y lagos, conforme nos sumergimos en ellos, menor es el número de especies. En el caso de los factores relacionados con las variables climáticas, en general a mayor temperatura y precipitación, mayor es el número de especies. 37 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ El estudio de la distribución de las especies también se puede abordar desde una perspectiva global, regional, local, por ecosistema o incluso a nivel de hábitat. Los expertos han propuesto regiones biogeográficas con base en los patrones de distribución de las especies. Estas regiones son grandes extensiones de la superficie terrestre donde la flora y la fauna han evolucionado en relativo aislamiento durante largos periodos. Dicho aislamiento se ha mantenido por barreras geográficas como océanos, desiertos o montañas que han impedido que las especies de plantas o animales migren de una región a otra. Una de las clasificaciones más empleadas reconoce ocho regiones biogeográficas en el mundo: Paleártica (que incluye a Europa, Asia y el norte de África), Neártica (Norteamérica, incluyendo la parte norte de México), Neotropical (sur de México, Centro y Sudamérica), Afrotropical (África subsahariana y el extremo sur de Arabia), Indomalaya (sureste de Asia, Filipinas e Indonesia), Australasiática (Australia, Nueva Guinea y Nueva Zelanda), Oceánica (Polinesia, Fiji y Micronesia) y Antártica. La Figura 2 muestra el número de especies, por grupo, en las diferentes regiones biogeográficas. Figura 2 Número de especies conocidas por región biogeográfica Podrás notar que la región Neotropical alberga la mayor riqueza de anfibios, aves, mamíferos y reptiles; le siguen la región Afrotropical, Indomalaya, Australasiática y Paleártica. Los países megadiversos ¿Has escuchado hablar de los países megadiversos? Entre las casi 200 naciones del mundo, existe un selecto grupo de países que poseen una biodiversidad excepcional, de ahí que se les llame de esta manera. En este grupo se encuentran México, Colombia, Ecuador, Perú, Brasil, Congo, Madagascar, China, India, Malasia, Indonesia, Australia, Papúa Nueva Guinea, Sudáfrica, Estados Unidos, Filipinas y Venezuela (Figura 3). ¡En ellos 38 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ se encuentra entre el 60 y 70% de la diversidad mundial de especies! No obstante, se considera que un país es megadiverso no sólo debido a su gran riqueza de especies, sino también a su diversidad genética y de ecosistemas. Los países megadiversos comparten, en general, la posición geográfica cercana al Ecuador, una gran diversidad de paisajes, superficies territoriales grandes, la presencia de barreras geográficas que producen el aislamiento de las especies, e incluso, una gran riqueza cultural que ha promovido la generación de nuevas variedades de plantas y animales por medio de la domesticación. Figura 3 Países megadiversos Principales amenazas para la biodiversidad Los principales riesgos para la diversidad biológica son los siguientes: • Extinción de especies: esto representa una pérdida permanente de biodiversidad y de información genética, en la que se basa la evolución. La tasa de extinción de mamíferos y de aves está aumentando drásticamente. Se ha estimado que un 12% de las aves y un 24% de los mamíferos existentes en el mundo están en peligro de extinción. La velocidad de extinción de especies para algunos grupos bien estudiados de vertebrados y plantas terrestres ha sido estimada en 50 a 100 veces mayor que la registrada previamente. • Deforestación: la deforestación para uso agrícola o forestal de las tierras, que en los años 70 fue muy extensiva en ciertas zonas del planeta (por ejemplo, países de América del Sur, África y Sudeste de Asia), constituye una de las más importantes amenazas para la biodiversidad en los países en vías de desarrollo. En 39 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ algunos casos, los procesos de deforestación son consecuencia de impactos secundarios de proyectos de desarrollo en ambientes prístinos, en general asociados a la apertura de nuevos accesos y caminos. • Fragmentación de hábitats: Constituye una amenaza para muchas especies, ya que afecta el tamaño de las poblaciones. La disminución del tamaño o el aumento de las distancias entre parches de vegetación o ambientes particulares para ciertas especies, y que se dan como resultado del proceso de fragmentación, provoca que las zonas preservadas o áreas protegidas se comporten como islas, impidiendo la dispersión de individuos entre las mismas. • Dispersión de sustancias tóxicas: La dispersión de sustancias tóxicas en el ambiente provoca efectos sobre la biodiversidad, constituyendo impactos directos de las actividades industriales y agrícolas sobre el medio ambiente. Los contaminantes, a largo plazo, pueden afectar tanto a la flora y a la fauna de un sitio determinado como a ecosistemas enteros y, por lo tanto, a la biodiversidad. • Sobreexplotación de especies: Es un problema que se agrava progresivamente. La alta demanda comercial de ciertas especies, el bajo índice de reemplazo de las mismas, y el largo período de crecimiento que requieren, afectan gravemente a ciertas poblaciones naturales. • Introducción de especies exóticas: En este ámbito, el mayor impacto deriva de la introducción de especies exógenas altamente invasoras, con ciclos de vida cortos, tasas de reproducción altas, dispersión simple y efectiva, y menor sensibilidad a los cambios que las especies nativas de un área, poblando rápidamente las áreas naturales y compitiendo y desplazando a las especies nativas. • Cambio climático global: Ha sido identificado como causa de variaciones en la biodiversidad. Las proyecciones actuales de las concentraciones de gases de efecto invernadero implican velocidades de cambio climático que exceden las variaciones naturales en el pasado geológico y representan una amenaza particularmente inquietante para la biodiversidad de regiones boscosas. El efecto invernadero y sus rápidos cambios en la temperatura superficial terrestre, junto a otros parámetros, pueden generar amplias reorganizaciones y pérdidas de comunidades y ecosistemas. La clasificación de los organismos 40 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ La necesidad de una clasificación La mayoría de las personas tienen un conocimiento limitado del mundo natural y se relacionan principalmente con los organismos que influencian sus propias vidas. Los biólogos, sin embargo, se enfrentan con la enorme tarea de clasificar, determinar e intercambiar información acerca de la vasta diversidad de organismos con la que los seres humanos, recién llegados en un sentido evolutivo, compartimos el planeta. Para esto, deben disponer de un sistema de clasificación que les permita nombrar y agrupar a las especies descriptas de una manera lógica, objetiva, económica y no redundante. Para comprender el modo en que los biólogos han enfrentado este desafío, comencemos por analizar la unidad básica de la clasificación biológica, la especie. ¿Qué es una especie? Una definición rigurosa de especie (aunque no es la única) fue propuesta por Ernst Mayr, biólogo evolutivo de la Universidad de Harvard, en 1940. Bajo el título de especie biológica, Mayr describió a una especie como "un grupo de poblaciones naturales cuyos individuos se cruzan entre sí exitosamente de manera real o potencial y que están reproductivamente aislados de otros grupos". La expresión "real o potencial" tiene en cuenta el hecho de que, aunque es improbable que individuos de poblaciones geográficamente aisladas se crucen naturalmente, el traslado de un grupo de organismos a alguna isla remota no los convierte automáticamente en miembros de una especie distinta ya que éstos potencialmente pueden cruzarse. La especiación (surgimiento de una nueva especie) requiere el establecimiento de una o varias barreras que aseguren el aislamiento reproductivo. Los términos "grupos" y "poblaciones" también son importantes en esta definición. La posibilidad de que algunos individuos de especies diferentes tengan una progenie ocasional (como ocurre en el cruzamiento de leones y tigres en un zoológico) no es relevante como proceso natural, ya que tigres y leones no conviven en el mismo hábitat natural. Además, la progenie híbrida en general es estéril o de vida corta. A esto último alude el término "exitosamente" de la definición. Para que surja una nueva especie, es decir, para que ocurra especiación, debe establecerse algún mecanismo biológico que impida la reproducción entre individuos, ya sea por impedimento del apareamiento, la fecundación o de la fertilidad o viabilidad de los híbridos. Si estos mecanismos o barreras de aislamiento entre especies distintas no existiesen, a lo largo del tiempo los organismos de una especie podrían intercambiar 41 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ genes con los miembros de otra especie y, en consecuencia, no retendrían las características adaptativas fisiológicas, morfológicas y comportamentales que les permiten sobrevivir y reproducirse de manera exitosa en su medio particular. El concepto biológico de especie de Mayr es ampliamente aceptado por los zoólogos. Sin embargo, falla cuando la reproducción involucra poco o mucho intercambio sexual. Muchas plantas se reproducen en forma asexual; además, pueden formar híbridos fértiles con otras especies. Por otra parte, las bacterias, con su variedad de formas de intercambio genético, no se ajustan netamente a esta definición. Así, aunque los botánicos y los microbiólogos usan el vocablo "especie", ésta representa una construcción diferente de la utilizada por los zoólogos. Designación de las especies De acuerdo con el sistema binomial de nomenclatura, ideado por el naturalista sueco Linneo en el siglo XVIII, el nombre científico de un organismo está formado por dos partes: el nombre genérico y un epíteto específico (un adjetivo o modificador). Por convención, los nombres del género y de la especie se escriben en letra cursiva. El nombre del género siempre antecede al epíteto –Drosophila melanogaster- y solamente puede utilizarse sin él en los casos en los que nos referimos al conjunto total de especies que constituyen ese género, como cuando mencionamos a Drosophila, Paramecium o Viola. Los virus: parásitos intracelulares Hasta ahora no hemos nombrado a un grupo de partículas cuya simplicidad hace imposible considerarlos como células, y de hecho parece situarlos fuera de la esfera de los seres vivos: nos referimos a los virus. Los virus están formados por una región central de ácido nucleico, ADN o ARN, rodeado por una cubierta de proteína o cápside y, en algunos casos, por una envoltura lipoproteica. Se reproducen solamente dentro de las células vivas, apoderándose de las enzimas y de la maquinaria biosintética de sus hospedadores. Sin esta maquinaria, serían tan inertes como cualquier otra macromolécula, o sea, sin vida según la mayoría de los criterios. 42 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Referencias Fotográficas y Bibliográficas 2: - Biodiversidad. Conocer para conservar (2011) Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales del Distrito Federal, México. http://www.semarnat.gob.mx/archivosanteriores/informacionambiental/Documents/05_serie/biodi versidad/capitulo1.pdf - - Guía de estudio del Bloque I (2000) Secretaría de Educación del Gobierno de la ciudad autónoma de Buenos Aires, Argentina. http://www.oas.org/udse/cd_educacion/cd/Materiales_bsas/bsas_biologia.pdf El árbol de la vida: una representación de la evolución y la evolución de una representación" -"Ciencia Hoy", Vol. 16 N°91 (febrero-marzo 2006) Biología, Curtis y otros, 6° edición Cuestionario 2 1- ¿Qué rasgos de los seres vivos los caracterizan y diferencian de los seres no vivos? 2- ¿Por qué se dice que los seres vivos además de intercambiar materia y energía también intercambian información? 3- ¿Qué es la célula y por qué decimos que está viva? 4- El concepto actual de biodiversidad contempla tres niveles de complejidad. ¿Cuáles son estos tres niveles? 5- ¿Cómo crees que se origina mayor diversidad genética mediante la reproducción sexual o la asexual? 6- Observa las siguientes fotografías y responde: a) ¿En cuál de los dos hábitats hay mayor biodiversidad? b) ¿Tiene esta mayor biodiversidad algo que ver con las condiciones ambientales? Justifica tu respuesta. c) Si en ambos hábitats desaparece una especie animal, ¿en cuál causaría más daño su pérdida? 43 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 7- ¿Cuáles son las principales amenazas para la biodiversidad? 8- ¿Cuáles pueden ser consecuencias negativas de la introducción de especies exóticas a un país? 9- ¿Qué actividades humanas tienen un efecto negativo sobre la biodiversidad? 10- Indica distintas causas que podrían provocar la extinción de una especie. 11- Lee atentamente la noticia y contesta las siguientes preguntas. a) Explica por qué la zona de los glaciares puede considerarse un ecosistema. b) Señala qué consecuencia podría tener para ese ecosistema el traslado de hielo de los glaciares. c) Explica cómo afectaría el proyecto de la minera a la biodiversidad del lugar. 44 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ d) Justifica si la medida de conservación propuesta por la minera serviría para preservar el ecosistema de los glaciares. e) Señala una acción del ser humano que tenga consecuencias positivas para un ecosistema. 12- Analiza los siguientes gráficos que describen la distribución de especies con relación a ciertos factores geográficos y ambientales. ¿Qué otros factores crees que pueden afectar la distribución de las especies en un determinado lugar? 13- En la siguiente tabla se presentan algunos de los servicios ambientales que obtenemos de los diferentes ecosistemas. Aunque la biodiversidad y sus servicios ambientales son, en esencia, gratuitos y para todos los seres humanos, tradicionalmente los hemos considerado inagotables. Quizá por ello, a lo largo de la historia, los hemos sobreexplotado, sin considerar que dañamos al ambiente. ¿Qué medidas propondrías para preservar la biodiversidad del planeta y así asegurar que próximas generaciones puedan seguir disfrutando de todos los servicios que el medio ambiente ofrece hoy día? 45 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 14- Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La biodiversidad tiene su comienzo a partir de la primera célula. b) El futuro de la biodiversidad se puede prever conociendo los fósiles del pasado. c) Las especies pueden tener genes que les hacen resistentes a las heladas y a las plagas. d) El marfil, el coral o las pieles son productos que ponen en peligro la diversidad de especies. f) El origen de nuevos medicamentos podrá proceder de especies aún no descubiertas. h) El sistema establecido por Linneo se ha conservado hasta la actualidad. i) La nomenclatura binomial establece el nombre científico para cada una de las especies. Para responder utilizando bilbiografía adicional 15- Investigue en la bibliografía cuáles fueron los cambios más importantes que ocurrieron en el planeta desde su origen hasta el presente. Atendiendo a dichos cambios, trate de explicar las razones por las cuales: 46 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ • En las altas montañas y llanuras de la Patagonia -a miles de kilómetros de la costa del mar- se encuentran gran cantidad de fósiles de organismos marinos. En muchos de esos mismos lugares se encuentran fósiles de organismos terrestres como, por ejemplo, dinosaurios. • El petróleo que se acumula en el subsuelo Patagónico es el producto de la descomposición de organismos que vivieron en ese territorio -hoy desértico- hace millones de años. Éste y otros indicios hacen suponer que dicha zona en algún momento fue selvática y de clima húmedo y caluroso. • Algunos de los fósiles de organismos que se encuentran en el Sur de América son muy similares a los fósiles de organismos que se encuentran en las costas del Sur de África. Se calcula que esos organismos vivieron hace unos 150 millones de años. 16- Calendario Nacional de Vacunación de la República Argentina ¿Qué enfermedades evitan y cuáles son los organismos que las causan? Averigüe de qué manera las vacunas permiten luchar eficazmente contra los organismos causantes de enfermedades (organismos patógenos). 17- Busque información sobre este virus en folletos, libros, revistas, etc. a fin de responder al siguiente cuestionario: ¿Qué células, tejidos y órganos son infectados por el HIV? ¿Cómo se produce la infección? ¿Cómo se transmite el HIV?¿Qué fluidos corporales permiten el contagio del virus? 47 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ ¿Qué ocurre con la persona infectada mientras el virus está en estado de "latencia"? ¿Es posible el contagio en esta etapa? ¿Qué ocurre con la persona infectada cuando el virus se está reproduciendo? ¿ Es posible el contagio en esta etapa? 48 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Unidad 3 La Célula ¿De qué están formados los seres vivos? La Teoría Celular establece que la célula es la unidad estructural y funcional de todo ser vivo. Tal es así, que se puede considerar el elemento de menor tamaño con vida. Los seres vivos pueden clasificarse según el número de células que los componen en: unicelulares (compuestos por una sola célula) y multicelulares (compuestos por más de una célula). Dicha teoría, propuesta por Schleiden y Schwann en 1839 y completada por Virchow en 1855, tiene 4 postulados básicos: Todos los organismos están compuestos por células (unidad estructural) En las células tienen lugar las reacciones metabólicas del organismo (unidad funcional) Las células provienen sólo de otras células preexistentes (unidad de origen) Les células contienen el material hereditario Existen dos tipos de células: procariotas y eucariotas Las células de diferentes organismos (plantas, animales, hongos, protistas o bacterias) y de diferentes órganos y tejidos dentro de los organismos multicelulares, presentan gran variedad de tamaños, formas, colores y estructuras internas; pero todas tienen en común ciertas características. Existen fundamentalmente dos tipos distintos de células: las procariotas y las eucariotas. Las bacterias son organismos compuestos por solo una única célula de tipo procariota. Por otro lado, las plantas, animales, hongos y protistas están formados por una (muchos protistas y algunos hongos) o muchas (plantas, animales, hongos) células eucariotas, que pueden presentar gran diversidad. En las células procariotas el material genético es una molécula circular de ADN, con proteínas débilmente asociadas, que se ubica en una región definida (nucleoide) y carece de una membrana que lo rodee. En las células eucariotas, por el contrario, el ADN es lineal y está fuertemente unido a proteínas. Lo rodea una 49 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ membrana doble y una estructura proteica en forma de red que forma la envoltura nuclear, que lo separa del resto de la célula en un núcleo bien definido. Las células procariotas están rodeadas de una pared que les otorga forma y resistencia a algunas condiciones del medio ambiente. Solamente algunas células eucariotas poseen paredes celulares, y la composición de las mismas es diferente a la de las células procariotas. Las células procariotas frecuentemente tienen flagelos que les permiten movimiento en medios líquidos. Algunas células eucariotas también tienen flagelos pero, nuevamente, la estructura de los mismos es muy distinta en los dos tipos de células. Fig. 1: Célula procariota y célula eucariota. Sus principales componentes. El citoplasma celular es el material comprendido por dentro de la membrana plasmática y por fuera el núcleo. Su parte soluble se denomina citosol. En las células procariotas - que no contienen núcleo - el citoplasma comprende todo el material dentro de la membrana plasmática. Contiene una enorme variedad de moléculas y complejos moleculares especializados en distintas funciones celulares. En las células eucariotas, muchas de estas funciones se llevan a cabo en diversos compartimentos rodeados por membranas, más conocidos como organelas. 50 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ La complejidad de la célula eucariota posibilitó la evolución de organismos multicelulares. El metabolismo eucariota es muy eficiente porque la presencia de membranas permite repartir las funciones en compartimentos específicos. Los organismos eucariotas son de mayor tamaño y llevan muchísima más información genética que los procariotas. El tamaño, la forma y la organización de la célula La mayoría de las células del cuerpo de una planta o de un animal miden entre 10 y 30 micrómetros (1 m = 10-6m) de diámetro. El tamaño de las células bacterianas oscila de 1 a 5 m. Las células tienden a ser esféricas, aunque a menudo tienen otras formas, muchas veces relacionadas a la presencia de las paredes celulares de plantas, hongos y muchos organismos unicelulares. La forma de la célula también se debe a la adhesión y la presión de otras células o superficies vecinas. En la mayoría de los organismos, además, la forma depende de la disposición de ciertas estructuras celulares internas, como el citoesqueleto, y por lo general está relacionada con las funciones particulares de cada tipo de célula. Las técnicas microscópicas modernas han confirmado que las células eucariotas contienen múltiples estructuras en su interior. Es decir, existe una separación espacial de ciertas funciones celulares. En las células procariotas, por el contrario, todos los procesos ocurren en un único compartimiento limitado por la membrana celular. Es importante también recordar que, aunque sólo examinemos una estructura o proceso por vez, la mayoría de las actividades que ocurren en una célula se dan simultáneamente y ejercen influencia unas sobre otras. “Una célula no es una combinación fortuita de componentes, sino una entidad dinámica e integrada, es decir, un sistema” (Curtis, Helena - Biología). Los límites de la célula Cada célula es una unidad autónoma, relativamente independiente, rodeada por una membrana que regula el paso de sustancias hacia el interior y hacia el exterior. 51 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ La membrana celular o plasmática es esencial en la vida de la célula. Es una estructura dinámica y fluida formada por fosfolípidos y proteínas. No sólo define los límites de la célula, sino que además permite que ésta exista como una entidad diferente de su entorno, regulando la entrada y la salida de cientos de sustancias. En las células eucariotas, la presencia de compartimentos subcelulares con membranas propias posibilita que cada estructura posea características particulares y distintas a las del citosol. La presencia de proteínas en la membrana plasmática permite la adhesión de las células entre sí y la consecuente formación de tejidos. Por fuera de la membrana plasmática de las células se encuentra la matriz extracelular, una estructura formada por un conjunto de proteínas y carbohidratos - asociados en distintas combinaciones - que cumplen funciones estructurales y participan en la adhesión celular, proceso de vital importancia en el desarrollo de tejidos y órganos. Una distinción fundamental entre las células animales respecto de las células vegetales y fúngicas, es que estas últimas están rodeadas por una pared celular. Esta pared realiza en las plantas muchas de las funciones que cumple la matriz extracelular en las células animales, si bien su estructura y composición difieren enormemente de la de la matriz. Aunque la pared es una estructura rígida, no es estática ya que interviene en funciones relacionadas con la diferenciación de las células vegetales durante el crecimiento. De un modo similar a la matriz extracelular, la pared celular de los vegetales conecta a las células entre sí formando tejidos, y transmite señales que influyen en el crecimiento y división celular. La pared celular vegetal se compone principalmente de moléculas de un polímero llamado celulosa, las cuales están organizadas en forma de microfibrillas embebidas en una matriz de polímeros viscosos. La pared celular es un filtro un poco más impermeable que la matriz extracelular de las células animales; sin embargo, su estructura porosa deja pasar materiales solubles que toman contacto con la membrana plasmática. Muchas algas también contienen celulosa en sus paredes, mientras que en las paredes de hongos y procariotas, por lo general, esta sustancia está ausente. Estudio de las células. Utilización de microscopios. Puede ser difícil entender cómo una célula, demasiado pequeña para ser observada a simple vista, puede ser tan compleja. ¿Cómo pueden investigar los biólogos celulares el funcionamiento interno de estas diminutas 52 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ entidades? A menudo, el progreso en un campo científico transcurre en forma paralela al desarrollo de instrumentos que amplifican los sentidos del hombre. El descubrimiento y estudio de las células fue posible gracias a la invención del microscopio en 1590 y su mejoramiento durante el siglo XVII. Los distintos tipos de microscopios todavía resultan indispensables para el estudio de las células. También son importantes los métodos bioquímicos, que al permitir la separación de los distintos componentes celulares, contribuyen a estudiar su funcionamiento. Así, la relación entre estructura y función es la base de los estudios celulares. Los primeros microscopios utilizados por los científicos del Renacimiento, así como los microscopios que se utilizan generalmente en el laboratorio, eran microscopios ópticos. En ellos, la luz visible atraviesa el preparado y luego las lentes de vidrio. La lente refracta (desvía) la luz de manera que la imagen se magnifica cuando se proyecta hacia el ojo, sobre una película fotográfica, o hacia una pantalla de video. Los microscopios pueden diseñarse para magnificar los objetos tantas veces como se desee, pero el microscopio óptico no puede resolver detalles menores de 0,2 m o 200 nm, el tamaño de una bacteria pequeña. Los microscopios ópticos pueden aumentar hasta alrededor de 1000 veces el tamaño real de un cuerpo o partícula; con aumentos mayores, la imagen se vuelve cada vez más borrosa. Aunque las células fueron descubiertas por Robert Hooke en 1665, la estructura de la célula no se llegó a conocer hasta la década de 1950, momento en el cual el rápido avance de la tecnología permitió la introducción del microscopio electrónico. La mayor parte de las estructuras sub-celulares son demasiado pequeñas para ser resueltas por el microscopio óptico. En lugar de utilizar luz visible, el microscopio electrónico enfoca un haz de electrones en la superficie del espécimen o a través de éste. Los microscopios electrónicos modernos pueden alcanzar, para el caso de las estructuras biológicas, un límite de resolución de tan solo 2 nm, lo que representa una mejoría de cien veces con respecto al microscopio óptico. 53 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ A- Microscopio óptico B- Microscopios electrónicos Fig. 2: Microscopios y sus componentes. 54 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Fig. 3: ¿Qué se puede observar con cada tipo de microscopio? Estudio de las células. Cultivo de células. En la actualidad, las técnicas de cultivo celular constituyen herramientas fundamentales en la investigación científica, teniendo como objetivo tanto generar nuevos conocimientos como encontrar un campo de aplicación para los mismos. Cuando se habla de cultivo celular, se hace referencia al proceso por el cual las células – ya sean procariotas o eucariotas – crecen y se reproducen en medios con condiciones controladas. Algunas de las numerosas ventajas de esta técnica frente a la investigación con animales vivos son la posibilidad de controlar el ambiente en el cual se desarrollan las células y de analizar un tipo celular aislado del resto, con la consiguiente disminución de los costos de reactivos y de animales de experimentación. 55 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Además, desde el punto de vista ético, este recurso posibilita la investigación sin someter a seres vivos a procedimientos cruentos, que muchas veces involucran la muerte. Cabe destacar, sin embargo, que sólo constituyen un modelo de lo que ocurre en los seres vivos, en los cuales las diferentes células interactúan entre sí dentro de sistemas más complejos. Se pueden cultivar una amplia variedad de tipos celulares que pueden ser empleados en el estudio, por ejemplo, del mecanismo de infección de los virus, de la acción de ciertas sustancias o de patologías como cáncer y Parkinson. También se utilizan en el desarrollo de nuevos fármacos y obtención de anticuerpos y hormonas en la industria farmacéutica, y para el diagnóstico y tratamiento de ciertas patologías, o como complemento a determinadas terapias médicas. El cultivo de células madre anticipa nuevos e importantes avances para la reparación de tejidos deteriorados, en microtransplantes y en terapias inmunológicas. El estudio de microorganismos también es llevado a cabo mediante su crecimiento en medios de cultivo preparados en el laboratorio. Estos cultivos pueden ser líquidos o geles semisólidos. Cuando se cultivan bacterias en medios sólidos se obtienen colonias, que son conjuntos de células que por su cantidad resultan visibles al ojo humano. Las colonias poseen características propias de cada microbio. Todas las células que componen una colonia provienen de la división de una sola célula, por lo tanto serán genéticamente idénticas entre sí. Para que las células puedan mantenerse y proliferar se deben cultivar en un medio adecuado que contenga todos los nutrientes necesarios para el crecimiento. Además se deben controlar una serie de condiciones tales como: temperatura, grado de humedad, presión de oxígeno, acidez o alcalinidad y presencia de todos los nutrientes y factores de crecimiento necesarios. Otro factor a controlar es la tensión de CO 2. La temperatura junto con la tensión de CO2 y la humedad son provistas por incubadores de células. A comienzos del siglo XX, la idea de que un tejido celular puede sobrevivir y crecer fuera del cuerpo atrajo a muchos científicos interesados en el estudio del comportamiento de células animales aisladas, sin las influencias de las variaciones sistémicas que se producen en los organismos normales y tratados. Inicialmente, la técnica se desarrolló a partir de fragmentos de tejidos sin disgregar o explantos. El crecimiento del cultivo se limitaba al desplazamiento o migración de algunas células desde el trozo de tejido hacia los sitios libres del soporte. A partir de la década de 1950, el estudio de los requerimientos nutricionales de las células en cultivo 56 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ y el desarrollo de técnicas de disociación mecánica y enzimática de tejidos, amplió la metodología, permitiendo el crecimiento, mantenimiento y estudio de células aisladas. Existen dos tipos básicos de cultivos celulares: los cultivos primarios y las líneas celulares. El cultivo primario es el cultivo in vitro inicial de células o explantos tomados directamente del organismo, mientras que las líneas celulares son subcultivos a partir del cultivo primario. Esta operación puede repetirse varias veces según el tejido, manteniendo así muchas de las características morfológicas del tejido que les dio origen. Sin embargo, los sucesivos subcultivos y el tiempo provocan la adaptación a las condiciones artificiales de cultivo, por ende la pérdida de las características originales, o la muerte. Los factores que limitan el crecimiento celular de un cultivo están relacionados con el deterioro progresivo de los sistemas de control de la proliferación celular. Actualmente, se considera que el cultivo primario que logra establecerse, es decir, que conserva su cantidad de cromosomas normal y puede mantenerse por un número limitado de subcultivos, da origen a una línea celular continua. Por otro lado, si este cultivo pierde su cantidad de cromosomas inicial y puede mantenerse independientemente del número de subdivisiones, se logra una línea celular continua establecida. Virus Los virus son mucho más pequeños y sencillos que cualquier tipo de célula. Puesto que carecen de las estructuras y de la maquinaria metabólica presentes en las células, la mayoría de los virus son poco más que genes empaquetados en cubiertas proteicas. Debido a que los virus no poseen un metabolismo propio y no se pueden reproducir de manera independiente, no se consideran seres vivos. El descubrimiento de los virus a través de la investigación científica Los científicos detectaron los virus de forma indirecta mucho antes de que pudieran verlos. La historia del descubrimiento de los virus comienza cerca de finales del siglo XIX. La enfermedad del mosaico del tabaco impide el crecimiento de las plantas de tabaco y da a sus hojas una coloración en mosaico. En 1883, Adolf Mayer, un científico alemán, descubrió que podía transmitir la enfermedad de una planta a otra frotando las plantas sanas con la savia extraída de las hojas enfermas. Mayer 57 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ concluyó que se trataba de una bacteria extremadamente pequeña que no podía verse en el microscopio. Esta hipótesis fue probada una década más tarde por Dimitri Ivanowsky, un investigador ruso, que pasó la savia infectada de las hojas del tabaco a través de un filtro diseñado para eliminar bacterias. Después de filtrada, la savia todavía producía la enfermedad del mosaico del tabaco. Ivanowsky tal vez pensó que quizás las bacterias eran muy pequeñas y pasaban a través del filtro o elaboraban una toxina que podía filtrarse y causar la enfermedad. Esto último fue refutado por Martinus Beijerinck, un botánico holandés, que descubrió que el agente infeccioso de la savia filtrada podía reproducirse. Él frotó las plantas con la savia filtrada y, después de que estas plantas desarrollaran la enfermedad, utilizó su savia para infectar más plantas, continuando el proceso a través de una serie de infecciones. Concluyó que el patógeno se había reproducido, porque su capacidad para causar la enfermedad no se atenuaba después de varias transferencias de una planta a otra, y que no se trataba de una bacteria. En realidad, el patógeno solo se reproducía dentro del huésped que infectaba. A diferencia de las bacterias, el agente misterioso de la enfermedad del mosaico no podía cultivarse en medios de cultivo. Beijerinck imaginó una partícula reproductora más pequeña y simple que las bacterias. Esto fue confirmado en 1935 cuando se cristalizó el virus por primera vez. Estructura viral Los virus más pequeños tienen sólo 20 nm de diámetro; son más pequeños que un ribosoma. Aún los virus más grandes son escasamente visibles con el microscopio óptico. Son partículas infecciosas que se componen de ácido nucleico encerrado dentro de una cubierta proteica, y en algunos casos recubiertos por estructuras lipoproteicas, membranosas. El genoma de los virus puede estar formado por ADN de cadena doble, ADN de cadena simple, ARN de cadena doble o ARN de cadena simple, dependiendo del tipo de virus. En general, el genoma está organizado como una única molécula lineal o circular de ácido nucleico. Los virus más pequeños tienen sólo cuatro genes, mientras que el más grande posee cientos. La cubierta proteica que encierra el genoma viral se denomina cápside. De acuerdo con el tipo de virus, la cápside puede presentar diferentes estructuras. Puede tener forma de bastón, ser poliédrica o ser aún más 58 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ compleja. Los virus pueden infectar tanto células eucariotas como procariotas. Los virus que infectan bacterias se conocen como bacteriófagos. Capsomere: capsómero Glycoprotein: glicoproteína Membranous envelope: envoltura membranosa Capsid: cápside Head: cabeza Tail sheath: envoltura de la cola Tail fiber: fibras de la cola Fig. 4. Esquema de distintos tipos de virus y sus componentes. Ciclo reproductivo viral Los virus son parásitos intracelulares obligados: se pueden reproducir sólo dentro de una célula huésped. Un virus aislado es incapaz de reproducirse ni de hacer más que infectar a una célula huésped adecuada. Los virus 59 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ carecen de enzimas metabólicas, ribosomas o cualquier otro sistema para elaborar proteínas. Es decir, los virus aislados son solamente conjuntos de genes empaquetados en tránsito de una célula huésped a otra. Cada virus puede infectar solo un espectro limitado de células huésped, llamado rango de huésped. Este reconocimiento específico es posible ya que los virus identifican a las células a infectar mediante un encaje del tipo “llave-cerradura” entre proteínas externas del virus y moléculas receptoras específicas en la superficie de las células. En términos generales, podemos resumir el ciclo reproductivo de los virus en tres etapas: Primera etapa: el virus libera su material genético dentro de la célula, mientras que la cubierta proteica/lipídica queda adherida a la membrana de esta última. Segunda etapa: las enzimas del huésped replican el genoma viral y además utilizan éste para formar nuevas proteínas virales. Tercera etapa: el genoma viral y las proteínas de la cápside se ensamblan en nuevas partículas virales, que emergen de la célula. Fig. 5. Ciclo de reproducción viral. 60 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Referencias de Figuras Unidad 3: Fig. 1: www.imagui.com Fig. 2: A- http://biologia-lacienciadelavida.blogspot.com.ar/2012/06/el-microscopio-optico.html. B- http://morfoudec.blogspot.com.ar/2008/07/microscopio-electrnico.html http://servicios.unileon.es/microscopia/servicios-y-equipamiento/ Fig. 3: University of Connecticut - http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/cdel2.htm Fig. 4: http://montagepages.fuselabs.com/public/OmarJomarPea/Virus/47d934c1-62a3-4969-aae6ffe5abdc884b.htm Fig. 5: http://microbiologia2a.blogspot.com.ar/2013/04/caracteristicas-geneticas-de-los-virus.html Cuestionario Unidad 3 1- ¿Cuáles son los postulados de la Teoría Celular? ¿Cómo se llegó a la construcción de los mismos? Investigue. 2- ¿Qué diferencia a una célula eucariota de una procariota? Elabore una tabla comparativa. 3- Diferencie los siguientes términos en cuánto a su función y a su presencia en organismos de los distintos reinos: membrana plasmática/pared celular y núcleo/nucleoide. 4- ¿Qué características hacen que las plantas - a nivel celular - tengan más en común con los animales que con las bacterias? 5- ¿Qué estructura celular posibilita la adhesión entre células? ¿Qué importancia podría tener dicha adherencia? 6- ¿Es posible relacionar la forma que adquiere una célula con su función? ¿De qué manera? Nombre algunos ejemplos. 7- Mencione diferentes lugares/objetos que usted crea que pueden estar contaminados con bacterias. ¿Cómo verificaría tal estimación? 8- ¿Esperaría poder distinguir con un microscopio óptico el núcleo de una célula animal? ¿Y sus ribosomas? 9- ¿Conoce células que se puedan observar sin necesidad de un instrumento óptico? 10- Cuando se trabaja con cultivos celulares es importante mantener la esterilidad (ausencia de toda forma de vida). ¿Por qué cree usted que es importante? 11- Mencione ejemplos de la vida cotidiana donde usted considere que sea importante mantener la esterilidad. 61 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 12- ¿Qué diferencia a los virus de las bacterias? 13- ¿Qué enfermedades causadas por virus conoce? ¿Dichas enfermedades pueden curarse con antibióticos, al igual que las causadas por bacterias? 14- ¿Cómo podría visualizar un virus? 15- Se dice que los virus son parásitos obligados. Explique esto último. 16- Dibuje un esquema representativo del ciclo de reproducción de los virus. 62 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Unidad 4 Organelas ¿Cómo se llevan a cabo a nivel celular los procesos vitales de los organismos? La evolución de los eucariotas implicó muchas diferencias con sus predecesores procariotas. En las células procariotas, todos los procesos esenciales para la vida ocurren en un único compartimiento limitado por la membrana celular o plasmática. Por el contrario, técnicas microscópicas modernas han confirmado que las células eucariotas contienen una multitud de estructuras membranosas especializadas en forma y función que desempeñan las actividades requeridas para el funcionamiento celular y del organismo (organelas). Es decir que, en las células eucariotas, existe una separación espacial de las funciones: el ADN se mantiene principalmente en un compartimiento separado, el núcleo, y también en algunas organelas que se encuentran en el citoplasma, como las mitocondrias, presentes en todas las células eucariotas, o los cloroplastos, en células fotosintéticas. Es importante comprender que una célula no es una combinación fortuita de componentes, sino una entidad dinámica e integrada. Así como los órganos de los animales multicelulares trabajan juntos en sistemas de órganos, las organelas de las células eucariotas están comprometidas en varias funciones cooperativas e interdependientes. Las células, como los organismos, existen como entidades diferentes de su entorno. Membrana plasmática Todas las células, procariotas y eucariotas, son básicamente muy semejantes. Todas tienen ADN como material genético, desempeñan los mismos tipos de reacciones químicas y están rodeadas por una membrana celular externa. La membrana celular -o plasmática- es esencial en la vida celular. No solamente define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula. En las células eucariotas, además, otras membranas definen los compartimientos y organelas, lo que permite mantener las diferencias entre el contenido de las mismas y el citosol. 63 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Las membranas celulares de eucariotas y procariotas, así como las de las organelas de células eucariotas, tienen la misma estructura básica de doble capa lipídica. Sin embargo, hay diferencias en los tipos de lípidos y, particularmente, en el número y tipo de proteínas y carbohidratos que poseen. Estas diferencias confieren a las membranas de diferentes tipos de células y de diferentes organelas propiedades únicas que pueden correlacionarse con diferencias en la función. La mayoría de las membranas biológicas tiene aproximadamente 40% de lípidos (principalmente fosfolípidos y colesterol) y 60% de proteínas, aunque existe una variación considerable. Las proteínas, extremadamente diversas en su estructura, desempeñan una variedad de actividades y son las responsables de la mayoría de las funciones esenciales que cumplen las membranas biológicas. Algunas proteínas son enzimas y regulan reacciones químicas particulares; otras son receptores, implicados en el reconocimiento y unión de moléculas señal, tales como las hormonas; y aun otras son proteínas de transporte, que desempeñan papeles críticos en Carbohidratos Bicapa lipídica Colesterol Proteínas Fosfolípido el movimiento de sustancias a través de la membrana. Figura 1. Esquema de la distribución de los componentes de la membrana plasmática de las células. La pared celular Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que las células vegetales están rodeadas por una pared celular. La pared se encuentra por fuera de la membrana y es construída por la célula. Tiene funciones de sostén y estructurales principalmente. Los plasmodesmos, que son canales que atraviesan las paredes celulares, permiten una conexión citoplasmática entre células contiguas. Las paredes celulares de las 64 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ plantas contienen celulosa y también se pueden encontrar en muchas algas (organismos eucariotas). Los hongos (organismos eucariotas) y los procariotas también tienen paredes celulares, pero usualmente no contienen celulosa. Las paredes celulares procarióticas contienen polímeros complejos conocidos como peptidoglicanos, y las de hongos quitina y otros polisacáridos y proteínas. Figura 2. Esquema de la pared celular de los células vegetales. Las células dirigen su crecimiento y desarrollo El núcleo Todas las células necesitan controlar sus actividades y especificar su propia estructura. La información para hacerlo se almacena en la macromolécula ácido desoxirribonucleico o ADN. En las células eucariotas, el ADN es lineal y está fuertemente unido a proteínas especiales llamadas histonas. Cada molécula de ADN con sus histonas constituye un cromosoma. Los cromosomas se encuentran en el núcleo. El núcleo es un cuerpo grande, frecuentemente esférico y, por lo común, es la estructura más voluminosa dentro de las células eucariotas. Está rodeado por la envoltura nuclear, constituida por dos membranas concéntricas, cada una de las cuales es una bicapa lipídica. Estas dos membranas están separadas por un intersticio pero, a intervalos frecuentes, las membranas se fusionan creando pequeños poros nucleares, por donde circulan los materiales entre el núcleo y el citoplasma. Dentro del núcleo se destaca el nucléolo que es el sitio en el que se construyen los componentes de la maquinaria para generar las proteínas, los ribosomas. 65 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Figura3. esquemática del núcleo de las células eucariotas. Los ribosomas Son las estructuras más numerosas (tanto en células procariotas como en eucariotas). No están rodeadas por membranas, por lo cual no constituyen verdaderas organelas. En ellos se produce la síntesis de proteínas a partir de la unión de los diferentes aminoácidos. Este proceso está dirigido por las moléculas de ácido ribonucleico, ARN, el cual se produce a partir de la información genética contenida en el ADN del núcleo. Cuanta más proteína esté fabricando una célula, más ribosomas tendrá. Algunos ribosomas se encuentran libres en el citoplasma e intervienen en la síntesis de proteínas que permanecerán en el citosol; otros están adheridos a la superficie externa de otra organela muy importante, el retículo endoplasmático, donde participan en la síntesis de proteínas que serán enviadas a la superficie de la célula, al exterior o a otros compartimientos del sistema de endomembranas. Tanto en las células procarióticas como en las eucariotas, los ribosomas tienen una estructura similar, constituidos por dos subunidades, cada una de las cuales está formada por un complejo de ARN ribosomal y proteínas. 66 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Figura 4. Ribosomas y partículas ribosómicas. El retículo endoplásmico (RE) El citoplasma de las células eucariotas está subdividido por una red de membranas conocidas como retículo endoplásmico (RE), que sirven como superficie de trabajo para muchas de las actividades celulares. La membrana externa de la envoltura nuclear se continúa con el retículo endoplásmico que está formado por una red de sacos aplanados, tubos y canales conectados entre sí, que caracteriza a las células eucariotas. La cantidad de RE de una célula no es fija, sino que aumenta o disminuye de acuerdo con la actividad celular. En las células eucariotas muchos ribosomas están unidos a la superficie de una parte del RE, produciendo el RE rugoso, que es especialmente abundante en aquellas células que producen proteínas de exportación. Solamente algunas proteínas, cuyo destino final es el exterior celular, la membrana plasmática o el sistema de endomembranas, serán sintetizadas en ribosomas asociados al RE. Cuando una proteína está siendo sintetizada en ribosomas asociados al RE, esto permite que la misma pueda ingresar a la cavidad interior del RE. La molécula de proteína recién sintetizada se mueve luego dentro del RE rugoso y podrá ser transportada compactada en una vesícula al complejo de Golgi, y desde allí a su destino final. En asociación con las membranas del RE liso, denominado así porque carece de ribosomas en su superficie, se producen la síntesis de lípidos y la degradación del glucógeno, un carbohidrato de almacenamiento. El RE liso se encuentra muy desarrollado en células especializadas en la síntesis o metabolismo de lípidos, como las células glandulares que producen hormonas esteroides y también se encuentra muy desarrollado en las células hepáticas, donde está relacionado con varios procesos de detoxificación (una de las muchas funciones del hígado). 67 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Figura 5. Esquema del sistema de endomembranas de una célula eucariota. El aparato de Golgi Es un centro de procesamiento y compactación de materiales que se mueven a través de la célula y salen de ella. Su principal función es la de modificación y distribución de proteínas y lípidos. El complejo de Golgi recibe vesículas del RE, modifica sus membranas y sus contenidos e incorpora los productos terminados en vesículas 68 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ de transporte que los llevan a otras partes del sistema de endomembranas, a la superficie celular o al exterior de la célula. En las células de las plantas, sintetiza y reúne algunos de los componentes de las paredes celulares. Los ribosomas, el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi y sus vesículas cooperan en la síntesis, procesamiento químico, empaquetamiento y distribución de macromoléculas y nuevo material de membrana. Tráfico de vesículas Otras organelas celulares eucariotas son los lisosomas y peroxisomas. Se trata de vesículas, compartimentos rodeados de membrana, en las cuales diferentes tipos de moléculas se degradan a constituyentes más simples que pueden ser utilizados por la célula o en el caso de productos de desecho, eliminados fácilmente. Los lisosomas Son un tipo de vesícula relativamente grande, formada en el complejo de Golgi, contienen, y aíslan del resto de la célula enzimas hidrolíticas, que están implicadas en las actividades digestivas intracelulares de algunas células. Las enzimas lisosomales son capaces de hidrolizar a todos los tipos principales de macromoléculas que se encuentran en una célula viva, pero no destruyen la membrana de los lisosomas que las contienen y de esta manera restringen su actividad al interior lisosomal. Estas enzimas están implicadas en la degradación de proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos. Para su mejor funcionamiento, las enzimas hidrolíticas requieren de un medio ácido como es el del interior del lisosoma. Los peroxisomas Son otro tipo de vesículas relativamente grandes presentes en la mayoría de las células eucariotas; contienen enzimas oxidativas y son particularmente abundantes en las células hepáticas (del hígado), donde participan en la eliminación de algunas sustancias tóxicas, evitando cualquier daño a las células y al organismo por parte de éstas. En las plantas, existen peroxisomas que cumplen funciones especiales como por ejemplo, los glioxisomas que, durante la germinación de la semilla, transforman los lípidos almacenados en azúcares. Otro tipo de peroxisoma, presente en las células fotosintéticas, participa en el proceso de fotorrespiración. 69 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Las vacuolas Son grandes vesículas llenas de fluido, que pueden ocupar de un 30 a un 90% del volumen celular. Se encuentran en casi todas las células vegetales, son frecuentes en protistas y se observan en algunas células animales. Las vacuolas incrementan el tamaño celular, así como la superficie expuesta al ambiente, con una mínima inversión de materiales estructurales por parte de la célula. Son las encargadas de mantener la turgencia celular vegetal; por otra parte, pueden almacenar temporariamente nutrientes o productos de desecho, y funcionar como un compartimiento de degradación de sustancias. En una misma célula pueden coexistir distintas vacuolas con diferentes funciones. Figura 6. Microelectrofotografía de células vegetales. Las células, como los organismos, obtienen y consumen energía para llevar adelante sus procesos vitales. Las mitocondrias Son organelas eucariotas limitadas por membrana y pueden adoptar diferentes formas; están siempre rodeadas por dos membranas, la más interna de las cuales presenta pliegues. Estos pliegues, conocidos como crestas, son superficies de trabajo para las reacciones mitocondriales en las cuales las moléculas que almacenan energía química son degradadas y la energía liberada es envasada en unidades más pequeñas, 70 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ moléculas de adenosina-trifosfato (ATP), que serán utilizadas luego en otros procesos celulares. En general, cuanto mayor son los requerimientos energéticos de una célula eucariótica en particular, más mitocondrias contiene. Las mitocondrias presentan vestigios de una existencia como organismos independientes. Se multiplican por fisión binaria como las bacterias, tienen un genoma propio contenido en un pequeño cromosoma que codifica para algunas de sus proteínas y tienen además ribosomas propios similares a los procarióticos. Los plástidos Son organelas eucariotas limitadas por membrana y se encuentran sólo en los organismos fotosintéticos (plantas y algas). Están rodeados por dos membranas concéntricas, al igual que las mitocondrias, y tienen además un sistema de membranas internas que pueden estar intrincadamente plegadas. Al igual que las mitocondrias, los plástidos contienen múltiples copias de un pequeño genoma, así como ribosomas propios. Los plástidos maduros son de tres tipos: leucoplastos, cromoplastos y cloroplastos. Los leucoplastos almacenan almidón, proteínas o aceites. Los cromoplastos contienen los pigmentos que dan color a las flores y los frutos. Los cloroplastos (chloro significa "verde") son plástidos grandes que contienen clorofila y en los cuales se produce energía química a partir de energía lumínica, en el proceso de fotosíntesis. Al igual que otros plástidos, están rodeados por dos membranas. Existe una tercera membrana interna -la membrana tilacoide- que forma una serie complicada de compartimientos y superficies de trabajo. Las moléculas de clorofila y las otras sustancias involucradas en la captura de energía luminosa proveniente del Sol están situadas en las membranas tilacoides dentro de los cloroplastos. ¿Existe una relación entre el número de crestas mitocondriales o membranas tilacoides y la actividad celular? 71 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1 2 Figura 7. Esquema de las organelas que participan en el metabolismo energético de las celulas eucariotas . En 1 se indican Arriba: Mitocondria a) membranas interna, rica en poteínas necesarias para la respiración celular. b) estroma de la mitocondria. Abajo: Cloroplasto a) sacos tilacoides, donde se lleva a cabo la fotosintesis. b) estroma del cloroplasto. En 2 se detallan los componentes internos del cloroplasto. El paso de los procariotas a los primeros eucariotas (los protistas) fue una de las transiciones evolutivas principales sólo precedida en orden de importancia por el origen de la vida. La cuestión de cómo ocurrió esta transición es actualmente objeto de viva discusión. Una hipótesis interesante, que gana creciente aceptación, es que se originaron células de mayor tamaño, y más complejas, cuando ciertos procariotas comenzaron a alojarse en el interior de otras células. 72 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ La investigadora L. Margulis (foto) propuso el primer mecanismo para explicar cómo pudo haber ocurrido esta asociación. La llamada "TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA" (endo significa interno y simbionte se refiere a la relación de beneficio mutuo entre dos organismos) intenta explicar el origen de algunas organelas eucariotas. Hace aproximadamente 2.500 millones de años, cuando la atmósfera era ya rica en oxígeno, ciertas células procarióticas habrían adquirido la capacidad de utilizar este gas para obtener energía de sus procesos metabólicos. La capacidad de utilizar el oxígeno habría conferido una gran ventaja a estas células aeróbicas, que habrían prosperado y aumentado en número. En algún momento, estos procariotas aeróbicos habrían sido fagocitados por células de mayor tamaño, sin que se produjera una digestión posterior. Algunas de estas asociaciones simbióticas habrían sido favorecidas por la presión selectiva: los pequeños simbiontes aeróbicos habrían hallado nutrientes y protección en las células hospedadoras a la vez que éstas obtenían los beneficios energéticos que el simbionte les confería. Estas nuevas asociaciones pudieron conquistar nuevos ambientes. Así, las células procarióticas, originalmente independientes, se habrían transformado en las actuales mitocondrias, pasando a formar parte de las flamantes células eucariotas. En la actualidad, varias líneas de evidencia sustentan la teoría de la endosimbiosis. De forma análoga, se cree que los procariotas fotosintéticos ingeridos por células no fotosintéticas de mayor tamaño fueron los precursores de los cloroplastos. La mayor complejidad de la célula eucariótica la dotó de un número de ventajas que finalmente posibilitaron la evolución de organismos multicelulares. Figuras tomadas de http://es.wikipedia.org/wiki/Lynn_Margulis y http://webs.uvigo.es/mmegias/5-celulas/1endosimbiosis.php Las células poseen una estructura definida y son capaces de realizar movimientos El citoesqueleto El citoesqueleto es una estructura eucariota que mantiene la organización de la célula, le permite moverse, posiciona sus organelas y dirige el tránsito intracelular. Es un denso entramado de fibras proteicas que se extiende a través del citoplasma. Está formado por tres tipos de filamentos: microtúbulos, filamentos intermedios y filamentos de actina. Los microtúbulos son tubos huecos, formados por dímeros de las proteínas tubulina alfa y beta. Son componentes de los cilios y los flagelos, participan en el transporte de organelas y en el movimiento de los cromosomas durante la división celular. Los filamentos intermedios están compuestos 73 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ por proteínas fibrosas resistentes y duraderas. Abundan en las células sometidas a fuerzas mecánicas (epiteliales, nerviosas y musculares) y forman la lámina nuclear, un armazón que sostiene la membrana del núcleo. Los filamentos de actina están constituidos por actina, una proteína globular. Producen movimientos celulares mediante la formación de seudópodos, estrangulan el citoplasma durante la división celular y forman parte de las estructuras contráctiles de las células musculares. Figura 8. Representación gráfica de componentes del citoesqueleto. Referencias de Figuras 4: Fig.1: http://elmodernoprometeo.blogspot.com.ar/2011/07/breve-aproximacion-la-anatomia-celular.html Fig. 2: http://www.asturnatura.com Fig. 3: http://www.memorizar.com/tarjetas/biomoleculas-y-organelos-5041797 Fig. 4: http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio225/chap04/lecture8.htm Fig. 5: http://biologiadelatortilla.blogspot.com.ar/2012_11_01_archive.html Fig. 6: http://ciencia-cl.webcindario.com/articulos_biologia/vacuola.htm Fig.7: http://tsbbenitobios.blogspot.com.ar/2009/09/cloroplasto y http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/mitocondria.html Fig. 8: http://genomasur.com/lecturas/Guia06.htm 74 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Cuestionario 4 1- Se suele usar una fábrica industrial como analogía del funcionamiento de una célula. ¿A qué partes de la célula corresponderían las siguientes partes de la fábrica? a) b) c) d) e) f) Dirección Generadores de energía Departamento de transporte Departamento de empaque Cadena de montaje Muros externos y vías de acceso 2- ¿Cuáles son las únicas organelas que no están rodeadas por membrana plasmática? a) Los cloroplastos b) Los ribosomas c) Los peroxisomas d) Las mitocondrias 3- ¿Dónde se porducen los ácidos nucleícos de los ribosomas en una célula eucariota? a) En el nucléolo b) En el retículo endoplasmático rugoso c) En otros ribosomas d) En el complejo de Golgi 4- ¿En qué organela se degradan moléculas orgánicas y se libera la energía química contenida en sus enlaces mediante un proceso que consume oxígeno? a) En los ribosomas b) En los cloroplastos c) En el núcleo d) En las mitocondrias 5- ¿Qué sustancias almacenan los leucoplastos? a) Almidón b) Proteínas y aceites c) Xantófilas y carotenos d) a y b son correctas 75 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 6- ¿Cuáles fueron los indicios que llevaron a postular el origen endosimbiótico de los cloroplastos? a) Tienen su propio DNA b) Tienen su propio RNA c) Están en todas las plantas verdes d) a y b son correctas e) a y c son correctas 7- ¿Cuál es la estructura celular que mantiene la organización de la célula y sus organelas, le permite moverse, participa en las modificaciones de su morfología y dirige el tránsito intracelular? a) El citoplasma b) El citoesqueleto d) El citosol 8- ¿Cuáles son los sitios en los que ocurre el acoplamiento de aminoácidos en la síntesis de proteínas? a) Los centríolos b) Los desmosomas c) Los nucléolos d) Los ribosomas 9- Señale qué características son correctas para las vacuolas: a) Sus principales funciones son el almacenamiento y el transporte de materiales, tanto dentro de la célula como hacia el interior y el exterior b) En una misma célula pueden coexistir distintas vacuolas con diferentes funciones c) En la mayoría de las células de plantas y hongos, las vacuolas son de gran tamaño d) Las vacuolas con clorofila se denominan cloroplastos e) Numerosas vacuolas pequeñas se pueden fusionar en una vacuola grande f) Todas las anteriores son correctas salvo e) g) Todas las anteriores son correctas salvo d) y f) h) Todas las anteriores son correctas salvo f) y g) 10- Elabore una pregunta que integre los conceptos del siguiente enunciado: Está formada por fosfolípidos, proteínas y, en algunos casos, colesterol. Su principal función es mantener separada a la célula del medio que la rodea y regular la entrada y la salida de sustancias. Las células eucariontes poseen membranas internas que presentan la misma estructura general que la membrana celular y definen los compartimientos y las organelas. 76 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ 11- El recorrido de una proteína integral de membrana, desde que se inicia su síntesis hasta que alcanza su localización definitiva es: a. RER- Golgi- MP b. Citosol- RER- Golgi- MO c. Citosol- REL- Golgi-MP d. Golgi-REL- Citosol- MP 12- La síntesis de glucoproteínas se da en: a. RER b. REL c. Golgi d. b y c son correctas 13- Las mitocondrias se dividen por: a. Gemación b. Mitosis c. Fisión Binaria 14- El ADN de las mitocondrias es a. Idéntico al nuclear b. Circular c. No posee 15- Especifique de qué organela se habla en cada caso a. Vesículas envueltas en una membrana que contiene enzimas hidrolíticas b. Sitios donde se realiza la síntesis de proteínas c. Lugar donde se clasifican y distribuyen los productos hacia distintas vías 16- En las células procariotas a. La falta de núcleo impide la coordinación del metabolismo celular b. La ausencia de mitocondrias impide la producción de energía c. La ausencia de cloroplastos impide la fotosíntesis d. La ausencia de envoltura nuclear impide el aislamiento del ADN del resto de los componentes celulares 17- Indique la opción que ordene en forma creciente los niveles de organización en los siguientes ejemplos a. Carbono-electrón-almidón-célula-glucosa-hoja-algarrobal-algarrobo b. Electrón-carbono-glucosa-almidón-célula-hoja-algarrobo-algarrobal c. Electrón –glucosa-carbono-almidón-algarrobo-hoja-algarrobal-célula d. Algarrobal-algarrobo-hoja-célula-almidón-glucosa-carbono-electrón 18- ¿Qué estructura celular hace posible que las células posean una composición bioquímica diferente de la del medio que la rodea? a. Retículo endoplasmático 77 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ b. Pared celular c. Membrana celular d. Núcleo 19- Las células de la piel son muy resistentes a los esfuerzos mecánicos, esta propiedad ese debe a que poseen abundante cantidad de: a. Filamentos de actina b. Microtúbulos de tubulina c. Filamentos intermedios d. Filamentos de miosina 20- El citoesqueleto interviene de manera directa en a. La formación de la pared celular b. La distribución de las organelas en el citoplasma c. El desarrollo del esqueleto óseo d. La síntesis de ATP 21- ¿Cuál de las siguientes funciones es exclusiva de una célula eucariota? a. Síntesis de proteínas b. Respiración celular fotosíntesis c. Trasporte intracelular de vesículas 78 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Glosario: Abiótico: en el ecosistema, elementos que no tienen vida. ADN: ácido desoxiribonucleico, macromolécula portadora de la información genética Anatomía: estudio de la estructura interna y externa de los seres vivos Anticuerpo: proteína, sintetizada por un linfocito B en el contexto de una respuesta inmunológica, que es complementaria a una sustancia extraña determinada (antígeno) con la que se combina específicamente. Árbol filogenético: diagrama que muestra las relaciones evolutivas entre varias especies u otras entidades que se cree que tienen una ascendencia común. ARNr: ARN (ácido ribonucleico) ribosomal, componente estructural y funcional de los ribosomas Biomolécula: es un compuesto químico que se encuentra en los organismos vivos. Están formadas por sustancias químicas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sulfuro y fósforo. Bióticos: relativo a los organismos vivos del medio ambiente. Células madre: células relativamente indiferenciadas capaces de una gran proliferación, que pueden generar una variedad de células diferenciadas con funciones definidas. Algunas pueden dar origen a un organismo entero, otras a varios tipos de células pero no a todas las de un organismo, y otras pueden dar células específicas. Celulosa: Compuesto orgánico. Componente estructural de la pared celular de las plantas verdes y muchas especies de algas. Citoesqueleto: red de estructuras proteicas dentro del citoplasma que mantiene la configuración de la célula, fija sus organelas e interviene en la movilidad celular. Citoplasma: compartimento de las células eucariotas delimitado por la membrana plasmática y las membranas de las organelas subcelulares. Citosol: contenido del citoplasma, excluidas las organelas delimitadas por membrana. Diferenciación celular: proceso por el cual las células sufren modificaciones que las llevan a adquirir la morfología y las funciones definitivas de un tipo celular específico. Dosel: capa de ramas y hojas formadas por las copas de árboles vecinos, los cuales típicamente se encuentran cubriendo grandes áreas. Ecosistema: conjunto de todos los organismos vivientes y de las condiciones físicas, químicas y biológicas, de un área determinada, de las cuales depende la vida. Enzimas hidrolíticas: Proteínas que lisan moléculas con la liberación de moléculas de agua entre otros productos de degradación. Enzimas oxidativas: Proteínas que catalizan la reacción de oxido/reducción utilizando al Oxígeno como aceptor final de electrones. Estas enzimas están presentes principalmente en la mitocondria, donde se produce la degradación de diversas moléculas. Especie: conjunto de individuos que proceden de antecesores comunes y que son capaces de reproducirse entre sí y de dar lugar a una descendencia fértil. Esterilidad: inexistencia de gérmenes 79 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Esteroides: Molécula de origen vegetal o animal que constituye la base para la formación de muchas hormonas y vitaminas las cuales cumplen funciones variadas en el organismo. Eucariota: célula que tiene un núcleo y organelas rodeadas por membrana y cromosomas en los que el ADN está unido fuertemente a proteínas. Filogenia: Origen y desarrollo evolutivo de las especies, historia de los mismos. Fosfolípidos: moléculas orgánicas con características de lípido, con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. Los fosfolípidos forman la estructura básica de las membranas de las células y de las organelas. Genoma: dos acepciones: conjunto de todo el ADN de una célula; y conjunto de todos los genes presentes en una célula Glucógeno: Carbohidrato de reserva energética. Hipótesis: es una suposición. Es una idea que puede no ser verdadera, basada en información previa. Histonas: Proteínas nucleares principales de todas las células eucariotas. Se asocian al ADN para su empaquetamiento dentro del núcleo celular. Homínido: Familia de mamíferos primates a la que pertenece el hombre Hormonas: Moléculas de señalización producidas por las glándulas en los organismos multicelulares. Son transportados por el sistema circulatorio a órganos distantes con el objetivo de regular la fisiología y el comportamiento. Matriz extracelular: todo material producido por las células y secretado en el medio que lo rodea. Generalmente se aplica a la porción no celular de los tejidos animales, formada por proteínas y glúcidos. Importante en la organización de tejidos y órganos. Membrana celular: membrana externa que rodea al citoplasma celular. También denominada membrana plasmática. Metabolismo: Totalidad de las reacciones químicas que se produce en un organismo determinado. Morfología: forma o estructura de los seres vivos. Nicho: zona geográfica caracterizada por peculiaridades ecológicas bien definidas. Núcleo: estructura rodeada por membrana, característica de las células eucariotas, que contiene información genética en forma de ADN organizado en cromosomas. Nucleoide: en las células procariotas, región en la cual se localiza el cromosoma. Objeto de estudio: Materia o asunto de que se ocupa una ciencia. Ontogenia: describe el desarrollo de un organismo. Organelas: estructuras rodeadas por membrana que se encuentran en el citoplasma de células eucariotas y tienen una función particular. Pared celular: estructura rígida o plástica producida por la célula y situada fuera de la membrana celular en la mayoría de plantas, algas, hongos y procariotas. Peptidoglicano: Molécula formada por carbohidratos y componentes aminoacídicos. Forma parte de las paredes celulares de diversas bacterias a las cuales le confiere rigidez entre otras propiedades. 80 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Pluricelular: Un organismo pluricelular o multicelular es aquel que está constituido por 2 o más células, en contraposición a los organismos unicelulares (protistas y bacterias, entre muchos otros) que reúnen todas sus funciones vitales en una única célula. Polímero: Unidad compleja formada por estructuras más sencillas denominadas monómeros. Procariota: célula que carece de núcleo y organelas limitadas por membrana. Proceso fisiológico: proceso relativo al funcionamiento y las funciones de los seres vivos o unidades vivas integradas, es decir: células, tejidos, órganos y organismos. Proliferación celular: proceso por el cual una célula origina varias células hijas por divisiones celulares. Proteína: compuesto orgánico complejo constituido por una o más cadenas polipeptídicas, cada una formada por muchos aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Protista: término que se aplica a cualquier eucariota que no es una planta, un animal o un hongo. La mayoría de los protistas son unicelulares, aunque algunos son multicelulares simples o forman colonias. Sistema de clasificación jerárquica: En las clasificaciones de tipo jerárquico un conjunto de objetos se organiza utilizando un modelo simple, que permite establecer subdivisiones aplicando un criterio que deben cumplir todos los elementos que se incluyen en la clase más específica. Sistema de nomenclatura: conjunto de nombres o términos empleados para asignar nombres científicos a los organismos. Taxón: grupo de organismos emparentados evolutivamente. Taxonomía: división ordenada de los organismos en categorías basadas en un conjunto de características utilizadas para establecer semejanzas y diferencias. Unidad de estudio: es el objeto o entidad real que va a ser estudiado y que permite su observación por medio de técnicas/instrumentos. Virus: partícula no celular parásita compuesta por una región central de ácido nucleico y una cubierta proteica, que se reproduce sólo dentro de una célula hospedadora. 81 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Experimentación La importancia de experimentar Un ejemplo: En los primeros años de la década de 1930, el citólogo alemán Joachim Hämmerling estudió las funciones del núcleo y del citoplasma en forma comparada, aprovechando ciertas propiedades inusuales del alga marina Acetabularia. El cuerpo de Acetabularia está formado por una única célula gigante de 2 a 5 centímetros de altura. Los individuos poseen un “sombrero”, un pedicelo y un “pie”, que constituyen porciones diferenciadas de la célula única. El núcleo de la célula está contenido en la porción del “pie”. Si se elimina el “sombrero”, la célula regenera rápidamente uno nuevo. Diferentes especies de Acetabularia tienen diferentes tipos de “sombrero”. Acetabularia mediterranea, por ejemplo, tiene un “sombrero” compacto en forma de sombrilla y Acetabularia crenulata tiene un “sombrero” con estructuras en forma de pétalo. Hämmerling tomó el “pie” de A. crenulata, que contiene al núcleo de la célula, y lo implantó en una célula de A. mediterranea, de la cual había eliminado antes tanto el “pie” como el “sombrero”. El “sombrero” que se formó luego tenía una forma intermedia entre las formas de ambas especies. Si posteriormente se eliminaba el sombrero con forma intermedia, el nuevo sombrero formado era completamente característico de A. crenulata. Hämmerling interpretó estos resultados como indicio de que ciertas sustancias determinantes del sombrero son producidas bajo la dirección del núcleo. Estas sustancias se acumulan en el citoplasma, y ésta es la razón por la que el sombrero formado poco después del trasplante nuclear era de tipo intermedio. Sin embargo, en el momento en que se formó el segundo sombrero, se habían agotado ya las sustancias determinantes de la forma de sombrero, presentes en el citoplasma antes del trasplante de modo que la forma de éste estaba por completo bajo el control del nuevo núcleo. Podemos ver, por estos experimentos, que el núcleo desempeña funciones fundamentales para la célula, llevando la información hereditaria que determina que un tipo particular de célula se desarrollará. Figura tomada de http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/10682747/Acetabularia-la-increibleplanta-unicelular.html. 82 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Esquema de los experimentos con Acetabularia. Tomado de http://eciencia.com/blog/divulgacion/%C2%BFcomo-se-demostro-que-la-informacion-genetica-estaba-contenida-enel-nucleo/ 83 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Cada actividad experimental irá acompañada del correspondiente informe. TEMA 1 HIPOTESIS: el ambiente que nos rodea contiene organismos vivos invisibles al ojo humano EXPERIMENTACIÓN: MATERIALES: - Cajas de Petri conteniendo medio de cultivo Luria-Bertani sólido y estéril - Estufas de temperatura controlada PROCEDIMIENTO: - con marcador indeleble dibuja sectores diferentes en la parte externa de la base de la caja de Petri y rotúlalas con números consecutivos - toca con las yemas de los dedos el medio de cultivo en uno de los sectores delimitados, y toma nota de cuál sector se trata - Pasa tus manos por sitios que haya a tu alrededor: dinero, paredes, suelo, celular, etc.... Toca con la yema de tus dedos el medio de cultivo en diferentes sectores, tomando nota de lo que tocaste antes de realizar la operación Tapa la caja de Petri para evitar contaminación posterior Llevar las cajas de Petri ya procesadas a incubador de temperatura controlada A las 48 hs, observar Aquellos alumnos que hayan asistido a un 80% de las clases accederán a complementar el experimento planteado mediante observación en lupa y microscopio de los organismos cultivados en el Laboratorio del Area Biología, FCByF, UNR. Luego de observar con lupa o microscopio: - dibuja lo observado con los diferentes aumentos y describe con tus palabras lo que más te llamó la atención. 84 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ Procedimiento a seguir para utilizar el microscopio: 1. Sentarse cómodamente delante del microscopio. 2. Encender el sistema de iluminación. 3. En el caso de microscopios binoculares, acomodar la separación de los oculares de manera de lograr un campo visual único. Por campo visual nos referimos al disco de luz observado a través del binocular. Uno de los oculares puede ser girado para compensar diferencias en la visión de los ojos del operador. 4. Bajar el condensador y cerrar el diafragma para disminuir la intensidad luminosa. Es aconsejable comenzar con una baja intensidad luminosa. 5. Bajar la platina y elegir el objetivo de menor aumento en el sistema de revólver. 6. Colocar el preparado sobre la platina. Asegurarlo con la pinza de ajuste. 7. Observando lateralmente (NO a través del ocular), ascender la platina utilizando el tornillo macrométrico hasta casi tocar el preparado con el objetivo. Se debe tener la precaución de que el objetivo no toque el preparado. 8. Mirando por el binocular, mover en forma descendente la platina utilizando el tornillo macrométrico hasta lograr una imagen más o menos definida. 9. Ajustar con el tornillo micrométrico el foco de la imagen lograda. 10. Revisar la iluminación. Es aconsejable utilizar una baja intensidad y el diafragma lo más cerrado posible, para lograr una imagen más nítida. Tomado del Manual de instrucciones de Olympus Biological Microscope Models CH30. 85 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ TEMA 2 PREPARACION SIMPLE DE UNA MOLECULA ESENCIAL, EL ADN MATERIALES: 1 rodaja de banana de aproximadamente 1 cm agua fría 1 cucharada de NaCl Embudo y papel de filtro alcohol dos gotas de detergente hielo tubo o vaso de precipitado Varilla de vidrio PROCEDIMIENTO: 1234567- Triturar con tenedor en un vaso una rodaja de banana con agua hasta obtener una papilla. Agregar una cucharada de sal. Mezclar suavemente durante 2-3 min. Agregar el detergente diluido en agua Mezclar suavemente durante 2-3 min. Paralelamente enfriar en hielo alcohol en un tubo de ensayo (llenar hasta menos de la mitad). Ubicar el embudo con el papel de filtro en la boca del tubo y verter la mezcla, de forma que gotee en el etanol. 8- Esperar unos minutos, observar el precipitado, que flotará. De ser posible enroscar en una varilla lo obtenido. 86 Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Suipacha 531 - S2002LRK Rosario - Argentina | +54 (0) 341- 4804592/3 | www.fbioyf.unr.edu.ar 2014 – Año de Homenaje al Almirante Guillermo Brown, en el Bicentenario del Combate Naval de Montevideo. BICEN“2013 – AÑO DEL BICENTENARIO DE LA ASAMBLEA GENERAL CONSTITUYENTE DE 1813” _______________________________________________________________________________________________________________________________ TEMA 3 SEPARACIÓN DE DISTINTOS COMPONENTES COLOREADOS DE HOJAS Y FLORES MATERIALES: Flores coloreadas y hojas de plantas (traídas por los alumnos) acetona o alcohol, 20 ml (opcional) un mortero papel secante o absorbente PROCEDIMIENTO: 1- Cortar las hojas y flores en trozos pequeños. 2- Colocar los trozos en un mortero al que se añade preferentemente acetona, alternativamente alcohol. 3- Machacar con el pilón, favoreciendo la extracción de los componentes. 4- Trasvasar el líquido a otro recipiente. 5- Sumergir apenas (1 cm) un extremo de una tira de papel absorbente de 5 cm de ancho. 6- Observar a lo largo del tiempo. INFORMES 1- Objetivo 2- Materiales y procedimiento (incluye datos que pudieran resultar relevantes: temperatura ambiente, condiciones de luz, tiempos, cambios sobre el protocolo sugerido y otros). 3- Resultados: describe lo observado. Podés ayudarte con esquemas, diagramas, dibujos y fotos. 4- Conclusión: ¿Podés sacar alguna conclusión acerca de lo que está ocurriendo? 87
