Parte 1 - Colombia Aprende
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COLOMBIA MINISTERIO DE EDUCACIÓN NACIONAL COORDINACIÓN PEDAGÓGICA Y EDITORIAL Mary Luz Isaza Ramos ASESORÍA PEDAGÓGICA Y DIDÁCTICA Edith Figueredo de Urrego Ciencias Naturales y Educación Ambiental: (Biología, Física, Química, Educación Ambiental) Cecilia Casasbuenas Santamaría Matemáticas ADAPTACIONES Y/O PRODUCCIONES NACIONALES MATERIAL IMPRESO Edith Figueredo de Urrego Ana María Cárdenas Navas Biología y Educación Ambiental Cecilia Casasbuenas Santamaría Virginia Cifuentes de Buriticá Matemáticas Patricia Arbeláez Figueroa Educación en Tecnología Eucaris Olaya Educación Ética y en Valores Humanos Alejandro Castro Barón Español Mariela Salgado Arango Alba Irene Sáchica Historia Universal Antonio Rivera Serrano Javier Ramos Reyes Geografía Universal Edith Figueredo de Urrego Alexander Aristizábal Fúquene César Herreño Fierro Augusto César Caballero Adiela Garrido de Pinzón Física, Química y Ambiente Betty Valencia Montoya Enoc Valentín González Palacio Laureano Gómez Ávila Educación Física Edith Figueredo de Urrego Mary Luz Isaza Ramos Horizontes de Telesecundaria Mary Luz Isaza Ramos Edith Figueredo de Urrego Perspectivas del Camino Recorrido SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA - MÉXICO COORDINACIÓN GENERAL PARA LA MODERNIZACIÓN DE LA EDUCACIÓN UNIDAD DE TELESECUNDARIA COORDINACIÓN GENERAL Guillermo Kelley Salinas Jorge Velasco Ocampo ASESORES DE TELESECUNDARIA PARA COLOMBIA Pedro Olvera Durán COLABORADORES ESPAÑOL María de Jesús Barboza Morán, María Carolina Aguayo Roussell, Ana Alarcón Márquez, María Concepción Leyva Castillo, Rosalía Mendizábal Izquierdo, Pedro Olvera Durán, Isabel Rentería González, Teresita del Niño Jesús Ugalde García, Carlos Valdés Ortíz. MATEMÁTICAS Miguel Aquino Zárate, Luis Bedolla Moreno, Martín Enciso Pérez, Arturo Eduardo Echeverría Pérez, Jossefina Fernández Araiza, Esperanza Issa González, Héctor Ignacio Martínez Sánchez, Alma Rosa Pérez Vargas, Mauricio Rosales Avalos, Gabriela Vázquez Tirado, Laurentino Velázquez Durán. HISTORIA UNIVERSAL Francisco García Mikel, Ivonne Boyer Gómez, Gisela Leticia Galicia, Víctor Hugo Gutiérrez Cruz, Sixto Adelfo Mendoza Cardoso, Alejandro Rojas Vázquez. GEOGRAFÍA GENERAL Rosa María Moreschi Oviedo, Alicia Ledezma Carbajal, Ma. Esther Encizo Pérez, Mary Frances Rodríguez Van Gort, Hugo Vázquez Hernández, Laura Udaeta Collás, Joel Antonio Colunga Castro, Eduardo Domínguez Herrera, Alma Rosa María Gutiérrez Alcalá, Lilia López Vega, Víctor López Solano, Ma. Teresa Aranda Pérez. BIOLOGÍA Evangelina Vázquez Herrera, César Minor Juárez, Leticia Estrada Ortuño, José Luis Hernández Sarabia, Lilia Mata Hernández, Griselda Moreno Arcuri, Sara Miriam Godrillo Villatoro, Emigdio Jiménez López, Joel Loera Pérez, Fernando Rodríguez Gallardo, Alicia Rojas Leal. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA Y QUÍMICA Ricardo León Cabrera, Ma. del Rosario Calderón Ramírez, Ma. del Pilar Cuevas Vargas, Maricela Rodríguez Aguilar, Joaquín Arturo Melgarejo García, María Elena Gómez Caravantes, Félix Murillo Dávila, Rebeca Ofelia Pineda Sotelo, César Minor Juárez, José Luis Hernández Sarabia, Ana María Rojas Bribiesca, Virginia Rosas González. EDUCACIÓN FÍSICA María Alejandra Navarro Garza, Pedro Cabrera Rico, Rosalinda Hernández Carmona, Fernando Peña Soto, Delfina Serrano García, María del Rocío Zárate Castro, Arturo Antonio Zepeda Simancas. PERSPECTIVAS DEL CAMINO RECORRIDO Rafael Menéndez Ramos, Carlos Valdés Ortíz, Carolina Aguayo Roussell, Ma. de Jesús Barbosa Morán, Ana Alarcón Márquez. SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA - MÉXICO COORDINACIÓN GENERAL PARA LA MODERNIZACIÓN DE LA EDUCACIÓN UNIDAD DE TELESECUNDARIA ASESORÍA DE CONTENIDOS ESPAÑOL María Esther Valdés Vda. de Zamora MATEMÁTICAS Eloísa Beristáin Márquez INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA Y QUÍMICA Benjamín Ayluardo López, Luis Fernando Peraza Castro BIOLOGÍA Rosario Leticia Cortés Ríos QUÍMICA Luis Fernando Peraza Castro EDUCACIÓN FÍSICA José Alfredo Rutz Machorro CORRECCIÓN DE ESTILO Y CUIDADO EDITORIAL Alejandro Torrecillas González, Marta Eugenia López Ortíz, María de los Angeles Andonegui Cuenca, Lucrecia Rojo Martínez, Javier Díaz Perucho, Esperanza Hernández Huerta, Maricela Torres Martínez, Jorge Issa González DIBUJO Jaime R. Sánchez Guzmán, Juan Sebastián Nájera Balcázar, Araceli Comparán Velázquez, José Antonio Fernández Merlos, Maritza Morillas Medina, Faustino Patiño Gutiérrez, Ignacio Ponce Sánchez, Aníbal Angel Zárate, Gerardo Rivera M. y Benjamín Galván Zúñiga. ACUERDO DE COOPERACIÓN MINISTERIO DE EDUCACIÓN DE COLOMBIA Y LA SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DE MÉXICO Colombia ha desarrollado importantes cambios cualitativos en los últimos años como espacios generadores de aprendizaje en los alumnos. En este marco el Ministerio de Educación de Colombia firmó con la Secretaría de Educación Pública de México un ACUERDO DE COOPERACIÓN EDUCATIVA, con el propósito de alcanzar mayores niveles de cooperación en el ámbito educativo. En el acuerdo, el Gobierno de México a través de la Secretaría de Educación Pública, ofrece al Gobierno de Colombia el Modelo Pedagógico de TELESECUNDARIA, como una modalidad educativa escolarizada apoyada en la televisión educativa como una estrategia básica de aprendizaje a través de la Red Satelital Edusat. El Ministerio de Educación de Colombia ha encontrado en el modelo de TELESECUNDARIA, una alternativa para la ampliación de la cobertura de la Educación Básica Secundaria en el área rural y una estrategia eficiente para el aprendizaje de los alumnos y las alumnas. El programa se inicia en Colombia a través de una ETAPA PILOTO, en el marco del PROYECTO DE EDUCACIÓN RURAL, por oferta desde el Ministerio de Educación de Colombia en el año 2000, realizando las adaptaciones de los materiales impresos al contexto colombiano, grabando directamente de la Red Satelital Edusat los programas de televisión educativa, seleccionando los más apropiados a las secuencias curriculares de sexto a noveno grado, organizando 41 experiencias educativas en los departamentos de Antioquia, Cauca, Córdoba, Boyacá, Cundinamarca y Valle del Cauca, capacitando docentes del área rural y atendiendo cerca de 1 200 alumnos en sexto grado. El pilotaje continuó en el año 2001 en séptimo grado, 2002 en octavo grado, y en el año 2003 el pilotaje del grado noveno. En la etapa de expansión del pilotaje se iniciaron por oferta en el presente año 50 nuevas experiencias en el marco del Proyecto de Educación Rural. Otras nuevas experiencias se desarrollaron con el apoyo de los Comités de Cafeteros, el FIP y la iniciativa de Gobiernos Departamentales como el del departamento del Valle del Cauca que inició 120 nuevas Telesecundarias en 23 municipios, mejorando los procesos de ampliación de cobertura con calidad. El Proyecto de Educación para el Sector Rural del Ministerio de Educación Nacional - PER, inició acciones en los diez departamentos focalizados y en ocho de ellos: Cauca, Boyacá, Huila, Antioquia, Córdoba, Cundinamarca, Bolívar y Norte de Santander se organizaron por demanda 40 nuevas experiencias del programa de Telesecundaria a partir del año 2002. Al presentar este material hoy a la comunidad educativa colombiana, queremos agradecer de manera muy especial al Gobierno de México, a través de la Secretaría de Educación Pública de México - SEP y del Instituto Latinoamericano para la Comunicación Educativa - ILCE, el apoyo técnico y la generosidad en la transmisión de los avances educativos y tecnológicos al Ministerio de Educación de Colombia. TABLA DE CONTENIDO BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ...................................... 15 ESTRUCTURA CURRICULAR ............................................................................. 17 PRESENTACIÓN ........................................................................................................... 21 Capítulo 1 HORIZONTES DE LA BIOLOGÍA Y LA EDUCACIÓN AMBIENTAL ........................... 23 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Ambiente y desarrollo ....................................................................................................................... Proyectos Pedagógicos Productivos (PPP) ..................................................................................... Elementos de los Proyectos Pedagógicos Productivos ................................................................... Clases y características de los Proyectos Pedagógicos Productivos .............................................. Metodología para implementar un Proyecto Pedagógico Productivo .............................................. Algo de historia sobre los Proyectos Pedagógicos Productivos ...................................................... 24 25 27 28 46 48 Capítulo 2 LOS BIOLEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS EN EL METABOLISMO................... 49 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Elementos y compuestos de la vida ................................................................................................. Los carbohidratos o glúcidos ............................................................................................................ Los lípidos ......................................................................................................................................... Las proteínas .................................................................................................................................... Las vitaminas. ................................................................................................................................... Los ácidos nucleicos ........................................................................................................................ El ADN, el ARN y los virus ................................................................................................................ Organización de las biomoléculas .................................................................................................... Historia de la ciencia ........................................................................................................................ 51 54 58 62 65 70 72 76 81 Capítulo 3 GENÉTICA: LA CIENCIA DE LA HERENCIA .............................................................. 85 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 La genética ....................................................................................................................................... 86 Las leyes de Mendel ......................................................................................................................... 88 La teoría cromosómica de la herencia ............................................................................................. 92 La gametogénesis. ........................................................................................................................... 96 Genotipo y fenotipo .......................................................................................................................... 99 La herencia ligada al sexo .............................................................................................................. 102 La recombinación genética............................................................................................................. 103 Las mutaciones............................................................................................................................... 106 Genética humana ........................................................................................................................... 107 Mutaciones provocadas por rayos X y por rayos ultravioleta ......................................................... 110 La genética y la selección artificial .................................................................................................. 110 Ingeniería genética .......................................................................................................................... 111 Proyecto Genoma Humano ............................................................................................................. 114 Manipulación genética en cereales ................................................................................................. 116 11 CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.15 Genes y ambiente ........................................................................................................................... 118 3.16 Responsabilidad del estudiante ..................................................................................................... 121 3.17 Historia de la ciencia ...................................................................................................................... 123 Capítulo 4 ESTRUCTURA Y FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS. SISTEMA NERVIOSO Y ENDOCRINO .............................................................................................................. 125 4.1 Función nerviosa ............................................................................................................................ 4.2 Neurona .......................................................................................................................................... 4.3 Sistema nervioso en el ser humano ............................................................................................... 4.4 Enfermedades del sistema nervioso .............................................................................................. 4.5 Órganos sensoriales (los cinco sentidos) ...................................................................................... 4.6 Regulación hormonal ...................................................................................................................... 4.7 Hormonas en las plantas y los animales ........................................................................................ 4.8 Sistema endocrino en el ser humano ............................................................................................. 4.9 Enfermedades del sistema endocrino ............................................................................................ 4.10 Historia de la ciencia ...................................................................................................................... 126 129 132 137 137 154 155 157 163 166 Capítulo 5 INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA ................................................................ 169 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 Introducción .................................................................................................................................... Mundo microscópico ....................................................................................................................... La agricultura y los microorganismos ............................................................................................. Los animales y los microorganismos ............................................................................................. Ambiente y microorganismos ......................................................................................................... El ser humano y los microorganismos ........................................................................................... Los microorganismos y la industria ................................................................................................ Biotecnología y ética ...................................................................................................................... Biotecnología en Colombia............................................................................................................. Historia de la ciencia ...................................................................................................................... 170 170 180 181 183 185 188 192 193 196 GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS ............................... 198 BIBLIOGRAFÍA (COLOMBIA) .................................................................................... 214 12 CONCEPTOS BÁSICOS FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE ....................................................... 221 ESTRUCTURA CURRICULAR ........................................................................... 223 PRESENTACIÓN .................................................................................................................................... 227 Capítulo 1 HORIZONTES DE LA FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE El Universo, de Copérnico a Einstein ..................................................................... 229 Introducción 1.1 Estructura del curso y metodología de estudio .............................................................................. 1.2 Explicaciones antiguas ................................................................................................................... 1.3 Principal teoría que explica el universo .......................................................................................... 1.4 Historia de la física: de Newton a Einstein ..................................................................................... 1.5 Historia de la química: de los antiguos griegos a la mecánica cuántica ....................................... 1.6 Alternativas energéticas: Biomasa, hidráulica, eólica y oceánica; solar y nuclear. ....................... 1.7 Proyecto: Ser humano – Ciencia – Tecnología –Sociedad – Ambiente ......................................... 230 232 234 239 242 248 254 Capítulo 2 ENLACES Y REACCIONES QUÍMICAS .................................................................... 257 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Electronegatividad .......................................................................................................................... Tipos de enlaces ............................................................................................................................. Enlace iónico .................................................................................................................................. Enlace covalente ............................................................................................................................ Tipos de reacciones químicas ........................................................................................................ Producción química en la industria ................................................................................................ Productos químicos usados en el hogar ........................................................................................ Primeros auxilios: Prevención de accidentes ................................................................................. Primeros auxilios: Percances varios .............................................................................................. 258 260 261 265 267 271 273 278 279 Capítulo 3 CINÉTICA QUÍMICA ................................................................................................... 295 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Cinética química ............................................................................................................................. Contenido energético ..................................................................................................................... Reacciones exotérmicas y endotérmicas ....................................................................................... Energía de activación ..................................................................................................................... Reacciones reversibles .................................................................................................................. Factores que afectan la rapidez de una reacción química ............................................................ Elaboración de queso y preservación de alimentos ...................................................................... Cocción y fermentación de alimentos ............................................................................................ 296 297 299 300 302 304 310 312 13 CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Capítulo 4 COMBUSTIBLES QUÍMICOS Y EL PROBLEMA DE LAS COMBUSTIONES ......... 319 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Composición del aire puro .............................................................................................................. Propiedades del oxígeno ................................................................................................................ El petróleo: derivados y usos ......................................................................................................... Hidrocarburos: gasolina .................................................................................................................. Problemas ocasionados por el consumo de petróleo .................................................................... Otros combustibles: Biomasa e hidrógeno .................................................................................... Reacciones de oxidación ................................................................................................................ Reacciones de reducción ............................................................................................................... La corrosión .................................................................................................................................... Acción corrosiva de los detergentes .............................................................................................. 320 322 324 328 329 337 340 343 346 350 Capítulo 5 ACÚSTICA .................................................................................................................. 353 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 Movimientos periódicos .................................................................................................................. Movimiento ondulatorio .................................................................................................................. El sonido y su velocidad de propagación ....................................................................................... Vibraciones como fuentes de sonido y ruido ................................................................................. Medios de propagación del sonido ................................................................................................. Cualidades del sonido .................................................................................................................... Instrumentos musicales .................................................................................................................. El oído y la audición ....................................................................................................................... Eco, reverberación e interferencia ................................................................................................. Efecto Doppler ................................................................................................................................ 354 357 362 364 367 369 372 376 378 381 Capítulo 6 ÓPTICA Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ........................................................... 385 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 Naturaleza y velocidad de la luz ..................................................................................................... Fuentes de luz ................................................................................................................................ Unidades de medida de la intensidad luminosa y de la iluminación .............................................. Fenómenos de la luz ...................................................................................................................... Espejos planos ............................................................................................................................... Espejos esféricos ........................................................................................................................... Lentes convergentes y divergentes ................................................................................................ Aparatos ópticos ............................................................................................................................. El ojo y la visión .............................................................................................................................. Refracción de la luz blanca ............................................................................................................ Luz visible y espectro electromagnético ........................................................................................ Ondas de radio ............................................................................................................................... La capa de ozono y la radiación ultravioleta .................................................................................. 386 389 391 393 397 399 405 410 414 417 418 420 422 GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS ..................................... 441 14 CONCEPTOS BÁSICOS BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 15 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ESTRURA CURRICULAR BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL SESIONES DE APRENDIZAJE Y VIDEOS CONCEPTOS BÁSICOS Capítulo 1 HORIZONTES DE LA BIOLOGÍA Y LA EDUCACIÓN AMBIENTAL 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6 Núcleo Básico 1 HORIZONTES DE LA BIOLOGÍA Y LA EDUCACIÓN AMBIENTAL Ambiente y desarrollo Proyectos Pedagógicos Productivos (PPP) Elementos de los Proyectos Pedagógicos Productivos Clases y características de los Proyectos Pedagógicos Productivos Metodología para implementar un Proyecto Pedagógico Productivo Algo de historia sobre los Proyectos Pedagógicos Productivos 1. Continuemos nuestro camino 2. A manera de prueba diagnóstica 3. ¿Qué son los Proyectos Pedagógicos Productivos? 4. Siempre juntos 5. ¿Qué somos y quién nos respalda? 6. Fichas en juego 7. Gran diversidad 8. ¿Cómo formular un PPP? 9. Buscando sus raíces 10. Aplica lo que aprendes 11. Examinando algunos conceptos Capítulo 2 LOS BIOLEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS EN EL METABOLISMO 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Núcleo Básico 2 LOS BIOELEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS EN EL METABOLISMO Elementos y compuestos de la vida Los carbohidratos o glúcidos Los lípidos Las proteínas Las vitaminas Los ácidos nucleicos El ADN, el ARN y los virus Organización de las biomoléculas Historia de la ciencia 12. ¿Qué ideas tenemos acerca de la función de algunos compuestos en el organismo? 13. (5.2) Simplemente CHON 14. (6.2) Dulce y almidonado 15. (7.2) ¡Cuánta grasa! 16. (8.2) Pura proteína 17. (9.2) Indispensables para vivir 18. (10.2) Almacén de información 19. (11.2) Transmisiones e invasiones 20. El trabajo de algunos investigadores acerca de las vitaminas 21. (12.2) Los primeros niveles 22. (13.2) De granito en granito se llena el jarrito 17 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL SESIONES DE APRENDIZAJE Y VIDEOS CONCEPTOS BÁSICOS Núcleo Básico 3 GENÉTICA: LA CIENCIA DE LA HERENCIA Capítulo 3 GENÉTICA: LA CIENCIA DE LA HERENCIA 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. La genética Las leyes de Mendel La teoría cromosómica de la herencia La gametogénesis Genotipo y fenotipo La herencia ligada al sexo La recombinación genética Las mutaciones Genética humana Mutaciones provocadas por rayos X y por rayos ultravioleta La genética y la selección artificial Ingeniería genética Proyecto Genoma Humano Manipulación genética en cereales Genes y ambiente Responsabilidad del estudiante Historia de la ciencia Núcleo Básico 4 ESTRUCTURA Y FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS SISTEMA NERVIOSO Y ENDOCRINO Capítulo 4 ESTRUCTURA Y FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS SISTEMA NERVIOSO Y ENDOCRINO 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 43. ¿Qué ideas tenemos acerca de las neuronas y las hormonas? 44. ¡Estímulos y coordinación! 45. (36.2) ¡Qué nervios! 46. La neurona ¿El punto de partida? 47. Conexiones y estructuras en nuestro cuerpo 48. Afecciones y malestares en los nervios 49. Sensación 50. Percepción 51. ¡Red química de comunicación! 52. (37.2) Reguladoras 53. Glándulas “maestras” 54. Descontrol en las hormonas 55. Investigadores y científicos de las neuronas y las hormonas Función nerviosa Neurona Sistema nervioso en el ser humano Enfermedades del sistema nervioso Órganos sensoriales (los cinco sentidos) Regulación hormonal Hormonas en las plantas y los animales Sistema endocrino en el ser humano 18 CONCEPTOS BÁSICOS ¿Qué ideas tenemos acerca de la herencia? (92.1) De tal palo tal astilla (93.1) Hijo de trigre... sale pintado (94.1) Desoxirrobonu... ¿Qué? (95.1) Mitad y mitad (96.1) Las apariencias engañan (97.1) El sexo también importa (98.1) Cada uno por su lado Técnicas para el manejo de Drosophila (99.1) De colores (100.1) Caminos equivocados (101.1) Metiendo la mano (102.1) Cruza o no cruzas (103.1) La fuerza del ambiente (104.1) Mi responsabilidad Investigadores de la genética Retroalimentación (105.1) Lo que sabemos de la herencia ¿Qué hemos aprendido? Armando las piezas I SESIONES DE APRENDIZAJE Y VIDEOS CONCEPTOS BÁSICOS 56. Recapitulación 57. Retroalimentación 4.9 Enfermedades del sistema endocrino 4.10 Historia de la ciencia Núcleo Básico 5 INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA Capítulo 5 INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 58. ¿Qué sabemos acerca de la biotecnología? 59. Los microorganismos y la biotecnología 60. Alimento para los microorganismos 61. Observemos nuestro trabajo 62. ¿La biotecnología y...? 63. Biotecnología y ambiente 64. Biotecnología versus ser humano 65. ¡Gallinita de los huevos de oro! 66. ¡Manos a la obra... uhm! 67. ¿Y de la ética qué? 68. Investigadores pioneros en biotecnología 69. Retroalimentación 70. Aplica tus conocimientos 71. Armando las piezas II Introducción Mundo microscópico La agricultura y los microorganismos Los animales y los microorganismos Ambiente y microorganismos El ser humano y los microorganismos Los microorganismos y la industria Biotecnología y ética Biotecnología en Colombia Historia de la ciencia 19 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL PRESENTACIÓN Corresponde a la sesión de GA 1.1 CONTINUEMOS NUESTRO CAMINO Los conceptos que se presentan en este libro fueron preparados con los mismos propósitos básicos de los grados anteriores. Como te puedes dar cuenta, los temas abordados continúan estructurados de acuerdo con los ejes temáticos. Los diferentes aspectos de la Biología y la Educación Ambiental se tratan desde el punto de vista de las características y problemas que se presentan en la dinámica de los organismos. La estructura del libro de Conceptos Básicos proporciona un marco de referencia que permite organizar los distintos hechos o eventos de la Biología y la Educación Ambiental, de tal manera que tengan sentido y se haga más fácil su estudio. En la primera parte del curso, se continúa con la línea de proyectos; se presentan primero algunos conceptos sobre el desarrollo sostenible y luego los aspectos más importantes de los “Proyectos Pedagógicos Productivos”. Estos proyectos son una estrategia del Modelo de Telesecundaria Rural que permite que los(las) estudiantes, padres de familia y demás miembros de la comunidad participen de manera activa en la educación, para que su vida futura sea productiva. Otros aspectos que se tratan en el curso son los bioelementos y las biomoléculas que hacen parte del proceso metabólico, para poder comprender cómo la naturaleza ha formado y organizado un sinnúmero de procesos y estructuras. Así, nos permite entender muchos eventos de la vida. Igualmente, se abordan los elementos más importantes de la genética, que es la rama de la Biología que estudia lo relacionado con la herencia, desde la interpretación de la información biológica, uso de métodos para modificar dicha información a través de la ingeniería genética, hasta los principales aspectos sobre el proyecto “Genoma Humano”. En cuanto al eje de los sistemas, se presentan los conceptos básicos de la estructura y función de los sistemas nervioso y endocrino de los seres vivos, en general, y se profundiza en estas funciones del ser humano. Finalmente, conocerás qué es la Biotecnología y cómo ella nos ayuda a entender, aún más, los procesos de la herencia, los avances en el conocimiento y tratamiento de diversas enfermedades genéticas y los beneficios económicos en la producción de nuevas plantas y animales. El uso adecuado que hagas de este libro de Conceptos Básicos te ayudará a vivenciar e internalizar conceptos importantes de la Biología y la Educación Ambiental, además de aclarar y complementar las ideas que tienes de cada uno de los temas expuestos. ¡Adelante! LOS AUTORES 21 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Capítulo 1 HORIZONTES DE LA BIOLOGÍA Y LA EDUCACIÓN AMBIENTAL Este capítulo comienza con algunas reflexiones acerca de las relaciones entre los conceptos de ambiente y desarrollo, las cuales fortalecen nuestros conocimientos, habilidades, aptitudes y actitudes, para lograr acciones que aporten en la sostenibilidad de los recursos. En este capítulo, conocerás los aspectos más importantes de los Proyectos Pedagógicos Productivos (PPP): el concepto, los aspectos legales, los principales elementos, las clases y características de estos proyectos, la metodología para su elaboración, y finalmente con un metarrelato de la historia de los proyectos productivos. Ve en busca de tu gente, ámalos, aprende de ellos, planifica con ellos, sírvelos. Empieza con lo que ellos ya saben, construye sobre lo que ellos tienen; porque de los mejores líderes, cuando su trabajo ha sido terminado, la gente toda dirá: “Lo hicimos nosotros mismos”. LAO TSÉ 23 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 1.1 AMBIENTE Y DESARROLLO Corresponde a la sesión de GA 1.4 SIEMPRE JUNTOS En los grados anteriores, se hizo referencia al concepto de educación ambiental y sus principales estrategias: los Proyectos Ambientales Escolares (PRAE) y los Proyectos Ciudadanos de Educación Ambiental (PROCEDA). Además se aclaró el concepto de ambiente y sistema ambiental. En este grado, como se mencionó anteriormente, se profundizará en los conceptos de ambiente y desarrollo, los cuales son indispensables en acciones, programas o proyectos de desarrollo y conservación de los recursos naturales. La vida de los seres humanos en la Tierra hace parte de un sistema, los elementos vivientes que conforman ese sistema se relacionan entre ellos mismos y con los componentes no vivientes. En épocas anteriores, las acciones humanas incidían poco en la dinámica de los procesos naturales; en la actualidad, estas acciones han deteriorado los procesos ecológicos debido al inadecuado manejo de los recursos. Lo anterior ha traído consecuencias sociales como el hambre, la pobreza, el analfabetismo, etc. y ecológicas, contaminación, pérdida de la biodiversidad, despilfarro de los recursos energéticos, entre otros. Figura 1. El inadecuado manejo de los recursos naturales ha traído como consecuencia el deterioro de la calidad de vida. Los problemas ambientales se manifiestan a través de desequilibrios de los procesos tanto físicos, como químicos y biológicos; pero los orígenes de estos problemas son de carácter socio-cultural; es decir, que los seres humanos y sus sistemas de vida son los que han generado los impactos positivos o negativos sobre la biosfera. Desde hace unos años, muchos grupos y personas han venido trabajando para implementar sistemas donde se logre un balance entre la capacidad de la naturaleza y las necesidades humanas. Los cambios que se hagan para lograr el equilibrio entre el ambiente y el desarrollo social, no dependen solamente de lo que se haga a nivel local, sino que se deben tener en cuenta los procesos a nivel nacional e internacional. Aunque el fin o los propósitos sean los mismos, no podemos pensar en estilos de vida únicos, se debe lograr desarrollar una diversidad de formas y prácticas para lograr la sostenibilidad. Cuando se formulen proyectos de desarrollo y conservación, se deben contemplar las características, el conocimiento que tiene la población y los intereses de los miembros de la comunidad en donde se desarrolla. Además, estos proyectos deben responder a problemas socioambientales, para entender la relación entre los diferentes elementos del problema y transformar acciones éticas, sociales y económicas entre los seres humanos. 24 CONCEPTOS BÁSICOS Uno de los errores en la formulación de los proyectos es que el ambiente se concibe aisladamente del proceso de desarrollo; es decir, que se toma como en un segundo plano. En algunas ocasiones, lo ambiental se incluye en los proyectos cuando ya éstos se están ejecutando, de esta forma no se logra un cambio en el sistema de valores, representaciones y prácticas relacionadas con el deterioro del ambiente. Cuando lo ambiental se trabaja como eje del proyecto, en algunas ocasiones éste se reduce a un trabajo en lo ecológico y biológico, y deja de lado los componentes sociales, culturales, éticos, económicos... De esta forma, no se logra una verdadera comprensión de las relaciones entre los sistemas naturales, sociales y culturales. Finalmente, cuando lo ambiental es integrado a la práctica del desarrollo, es decir, cuando éste se incorpora en todo el proceso productivo, económico, político, técnico y ecológico, aquí la población tiene los suficientes argumentos para tomar decisiones sobre el uso adecuado de sus recursos y frente al impacto de sus prácticas productivas sobre el ambiente, a corto, mediano y largo plazo. El concepto de desarrollo sostenible que se maneja es el definido por la Comisión Mundial de Ambiente y Desarrollo de las Naciones Unidas: “Un desarrollo que satisface las necesidades del presente, sin menoscabar la capacidad de las futuras generaciones de satisfacer las suyas propias”. A partir de este concepto, se han elaborado muchas otras que hacen énfasis en uno u otro aspecto del concepto, manejo de recursos, aspectos económicos, desarrollo humano, aspecto tecnológico, etc. Se cree que lo más conveniente es hablar de “comunidades sostenibles”, en donde se hace necesario que haya un compromiso con un proceso a largo plazo, donde se apliquen principios de equidad y participación. Igualmente, implica revisar o fortalecer los sistemas de valores sobre el ambiente y desarrollo; y, si es necesario, transformar representaciones sociales y prácticas. Además, los miembros de las comunidades deben analizar lo que sucede fuera de su región e identificar los factores que impiden que se orienten hacia un desarrollo adecuado; es decir, que “un desarrollo es sostenible, cuando es socialmente justo, económicamente viable y ambientalmente sano”. 1.2 PROYECTOS PEDAGÓGICOS PRODUCTIVOS (PPP) Corresponde a la sesión de GA 1.5 ¿QUÉ SOMOS Y QUIÉN NOS RESPALDA? ¿Qué es un Proyecto Pedagógico Productivo? Los Proyectos Pedagógicos Productivos (PPP) son un proceso liderado por la comunidad educativa (educadores, educandos, directivos y padres de familia) y otros miembros de la comunidad (comunidad social, sector productivo y gobierno local), en donde se diseña, planea, organiza, controla y evalúa un proyecto específico. Una de las principales características de estos proyectos es la formación o aprendizaje que se adquiere a través de la participación activa de todos sus miembros, cuyo propósito fundamental es lograr un beneficio social, educativo y productivo colectivamente, en don25 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL de la comunidad se integra para intercambiar saberes y encontrar posibles soluciones a una problemática que los afecta. Estos proyectos se deben generar bajo la iniciativa de la comunidad, y responsabilidad de los miembros que hacen parte de ella, y deben responder a necesidades de la misma. Figura 2. La participación activa es uno de los elementos importantes de los Proyectos Pedagógicos Productivos. Los Proyectos Pedagógicos Productivos permiten además fomentar la autogestión, la generación de alternativas económicas, mejorar la formación para el trabajo, posibilitar alternativas de empleo y microempresariales, el sentido de pertenencia y la autofinanciación. En la creación de un PPP, se conjuga la participación de la comunidad educativa a través de lo teórico y lo práctico, la comunidad con su problemática, los procesos de gestión y control; el sector productivo con la experiencia y el apoyo logístico y las entidades públicas y privadas. Los PPP tienen sus bases legales tanto en la Constitución Política Nacional, como en la Ley General de Educación y en algunos de sus decretos. Por ejemplo, el Artículo 64 de la Constitución Política Nacional hace referencia a: “Es deber del Estado promover el acceso progresivo a la propiedad de la tierra a los trabajadores agrarios en forma individual o asociativa, y a los servicios de educación, salud, vivienda, seguridad social, recreación, crédito, comunicaciones, comercialización de los productos, asistencia técnica y empresarial, con el fin de mejorar el ingreso y la calidad de vida de los campesinos”. El Artículo 73 de la Ley General de Educación establece que las instituciones educativas, deben formular su Proyecto Educativo Institucional (PEI): “Con el fin de lograr la formación intregral del educando, cada establecimiento educativo deberá elaborar y poner en práctica un Proyecto Educativo Institucional en el que se especifique, entre otros aspectos, los principios y fines del establecimiento, los recursos docentes y didácticos disponibles y necesarios, las estrategias pedagógicas....”. 26 CONCEPTOS BÁSICOS El Artículo 36 del Decreto 1860/94 plantea en cuanto a los proyectos pedagógicos: “El proyecto pedagógico es una actividad dentro del plan de estudios que de manera planificada ejercita al educando en la solución de problemas cotidianos seleccionados, por tener relación directa con el entorno social, cultural, científico y tecnológico del alumno. Cumple la función de correlacionar, integrar y hacer activos los conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes y valores logrados en el desarrollo de diversas áreas...”. 1.3 ELEMENTOS DE LOS PROYECTOS PEDAGÓGICOS PRODUCTIVOS Corresponde a la sesión GA 1.6 FICHAS EN JUEGO La institución Ésta debe ser el centro de acciones, debe ser productiva, es decir, permitir que tanto los niños, jóvenes y los adultos tengan acceso a los saberes sociales que se requieren en el momento. Una escuela en que los criterios de integración e interdisciplina se hagan realidad a partir de proyectos participativos, cogestionarios (implica concertación) y autogestionarios (implica autonomía), que permitan desarrollar en el individuo no solamente conocimientos, sino alrededor de ellos valores y actitudes que incidan en la construcción de una concepción del manejo del ambiente. El Proyecto Pedagógico Productivo formulado desde la institución, entonces, debe fomentar la relación entre los conocimientos, la realidad y la vida; además, debe aportar elementos para el análisis y solución de los problemas de la comunidad. El PPP debe ser planeado a partir de las necesidades de la comunidad, los desarrollos, los recursos, las limitaciones, las tradiciones, las costumbres, los usos y los intereses; es decir, tendrá en cuenta la realidad de la comunidad. La pedagogía El proceso educativo que caracterice el PPP debe estar enmarcado dentro del desarrollo de la capacidad de construir conceptos, de la creatividad, de la autoestima, del espíritu crítico y reflexivo y del trabajo en equipo. Igualmente, se debe fortalecer el trabajo activo a través de un ambiente de confianza y seguridad, y compartiendo experiencias en un espacio de verdadera comunicación. Muchos de los aspectos que lleve consigo el diseño, elaboración, ejecución y evaluación del proyecto deben estar motivados por el descubrimiento que hagan los(as) estudiantes, en cuanto a correlaciones, conexiones y razones tanto del mundo social como del mundo material. Un elemento valioso es utilizar las experiencias de los estudiantes y la comunidad, el cual se debe considerar como el material instruccional para la formulación y desarrollo del proyecto. Este material puede ir desde textos, guías, dibujos, hasta grabaciones y filmaciones, y se complementará con material de radio, televisión, películas, libros de texto, libros especializados, revistas, etc. 27 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura3. Los conocimientos y prácticas de la comunidad son fundamentales para los PPP. Los Proyectos Pedagógicos Productivos como estrategia innovadora Un Proyecto Pedagógico Productivo puede llegar a ser innovador, cuando ofrece nuevas oportunidades educativas para mejorar la calidad de los procesos de enseñanza y de aprendizaje, a través de modificaciones en la estructura y funcionamiento de las instituciones. Es decir, modifica las prácticas escolares con el fin de acercarlas al mundo de la producción, de la organización social y de la vida cotidiana, que atiendan aspectos como: salud, cultura, tecnología agrícola, entre otros. Los PPP y la investigación En la formulación de los Proyectos Pedagógicos Productivos, es necesario un proceso de investigación, el cual debe ser dirigido a resolver problemas prácticos y debe servir como herramienta para conocer lo que nos rodea. El proceso de investigación consta de una serie de etapas interrelacionadas; aunque existen varios métodos para el proceso de investigación, hay elementos comunes, entre los cuales se podrían mencionar: el planteamiento del problema de investigación; la elaboración del marco conceptual; la definición del tipo de investigación; el establecimiento de hipótesis, la detección de variables; la selección del diseño apropiado de investigación; la selección de la muestra; el diseño de instrumentos para recolección de datos; el análisis de datos y, la elaboración y divulgación de resultados. Los PPP son la oportunidad real de aplicar los conocimientos adquiridos en los mismos espacios, al tiempo que se logra la proyección social de la institución educativa y la apropiación de aquellos factores que caracterizan a cada región. 1.4 CLASES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS PROYECTOS PEDAGÓGICOS PRODUCTIVOS Corresponde a la sesión GA 1.7 GRAN DIVERSIDAD Las clases de Proyectos Pedagógicos Productivos se dan teniendo en cuenta los sectores e intereses de la población, en aspectos tales como: 28 CONCEPTOS BÁSICOS • Los que fomentan el aprovechamiento de los recursos agrícolas que hay en la región y la explotación recursiva y productiva de dichos productos u otros procesos y productos de otras regiones. Entre éstos podemos mencionar: piscicultura, avicultura, porcicultura, etc. • Los que fomentan prioritariamente la identidad y el sentido de pertenencia de los miembros de una comunidad en particular, algunos ejemplos de éstos son: creación de círculos de lectores, talleres literarios, artesanales, musicales, teatro y equipos deportivos. • Los que se relacionan con la producción artesanal, que forman parte de su cultura productiva y se identifican con la tradición del sector, entre estos están: tecnificación de la producción de bocadillo, industrialización de algún dulce en particular, tradición de fabricación de sillas en bambú y confección de prendas. • Los que se relacionan con los servicios de construcción y reconstrucción; procesos de mantenimiento y reparación tanto de la infraestructura física, como de sus elementos. Aquí encontramos grupos para la recuperación de espacios físicos, construcción de caminos, entre otros. • Los que se relacionan con capacitación y asesoría tanto en técnicas, como en métodos y habilidades, que tengan que ver con las prioridades de la región. Algunos ejemplos de estos son: capacitación tecnológica y técnica agrícola, técnicas y métodos de producción, talleres de educación sexual, etc. • Y los relacionados con la creación de asociaciones y cooperativas, con fines financieros, de colaboración técnica o logísticos, etc. Un ejemplo de éstos es la creación de cooperativas de productores. A continuación, se presentan, en forma general, algunos tópicos para formular proyectos productivos de tipo agro-industrial: • • • • • • • • • Porcicultura (cría de cerdos) Pilas de abono Cunicultura (cría de conejos) Lombricultura Piscicultura Avicultura Huerta Cultivos hidropónicos Zoocriaderos de reptiles El área de Educación en Tecnología suministra información técnica relacionada con una amplia gama de proyectos. Veamos algunos: 29 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Porcicultura (cría de cerdos) Generalidades Es una actividad que puede reportar interesantes beneficios económicos, en una granja, al asociarse con la utilización de subproductos, así se reducen los costos de producción. En la explotación de cerdos, se debe tener en cuenta que lo ideal es obtener cerdos que rindan más en carne magra y que produzca relativamente poca grasa. Figura 4. Producir cerdos tipo carne es más económico. Las características de un cerdo para carne son: debe pesar entre 85 y 100 kg, medir aproximadamente entre 90 y 105 cm de largo y la longitud de su lomo debe ser unos 60 cm. Para seleccionar los cerdos para cría, los padres de éstos deben proceder de padres y abuelos de alto rendimiento, camadas abundantes (diez o más lechones al momento del destete), no deben tener defectos físicos, deben estar libres de toda enfermedad y deben tener 12 tetillas por lo menos. Las hembras para la cría deben tener una buena configuración corporal, tener 12 pezones o más, ninguno invertido y bien distribuidos, el peso ideal es de 80 a 130 kg. Alimentación En cuanto a la alimentación de los cerdos, éstos necesitan de 20 a 30 litros por día; los principales elementos que componen la materia alimenticia son las grasas, los hidratos de carbono y las proteínas. Se pueden alimentar con concentrado o productos como alfalfa, raíces tuberculosas (yuca, arracacha, ñame) auyama, maíz y residuos de hortalizas. Requerimientos de espacio Para la construcción de la porqueriza, debe tenerse en cuenta el clima de la zona; si es en clima frío, la construcción tendrá una orientación norte-sur, para facilitar la entrada del Sol en la mañana y en la tarde. En clima cálido, la orientación debe ser oriente-occidente. Se debe proteger a los cerdos y lechones de corrientes de aire, los lechones desde el nacimiento hasta las cuatro semanas deben recibir permanentemente calor por medio de lámparas, en clima frío, de 250 vatios y una altura de 50 cm. La porqueriza se puede construir con cemento, madera o guadua, entre 10 m de larga por 4 m de ancha. El corral como paridera debe tener entre 2.50 a 3 m. El terreno donde está 30 CONCEPTOS BÁSICOS la porqueriza debe ser de fácil drenaje y acceso. Las diferentes secciones de la porqueriza se construyen según el peso de los cerdos. No se debe utilizar teja de zinc para cubrir la porqueriza, ya que se inhibe el crecimiento. Cría o lactancia Se debe asear la cerda antes del parto y ayudarla si es necesario, luego del parto sólo se dejan los lechones de acuerdo con el número de pezones. Se debe poner una fuente de calor en la lechonera. Los lechones se limpian con una estopa o toalla de papel, ligar el cordón umbilical a 2 cm del vientre y cortarlo 1 cm por encima de la ligadura, desinfectándolo con solución de yodo. A los cinco días de edad, se les da un concentrado especial para lechones en comederos aparte de los de la cerda. A la segunda semana, se castran los machos que sean destinados para ceba (engorde). Los lechones se destetan entre los 30 ó 40 días con un promedio de peso entre 12 y 15 kg; tanto la cerda como los lechones se vermifugan (desparasitan). Después del levante se llevan los lechones a jaulas individuales, separando los machos para engorde y las hembras para reproducción. Pilas de abono Generalidades Los abonos de tipo orgánico y en especial los estiércoles actúan en forma benéfica sobre los suelos, ya sea modificando sus propiedades físicas o aportando nutrientes. PLÁSTICO CALFOS O FOSFÓRICA MALEZAS ESTERCOLADAS TIERRA TAMAÑO = 70 cm x 70 cm a. Cuatro palos verticales formando un cuadrado de 70 x 70 cm. b. Cuatro palos horizontales, de 120 cm de largo. c. Arreglar la mezcla preparada en el foso. d. Espolvorear una capa de calfos o fosfórica. Figura 5. El compost es de fácil elaboración. 31 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los abonos orgánicos suministran, en pequeñas proporciones, los principales elementos fertilizantes y una rica población de microorganismos y enzimas activadoras de procesos químicos. Además, intervienen para que el suelo logre una capacidad de retención de agua y absorción de iones de nutrientes indispensables para las plantas. Para la preparación del abono, se debe recoger el estiércol de varios animales (vacas, cerdos) y se debe preparar una mezcla en colada espesa (con agua), de siete partes de pasto sobrante y maleza por una parte de estiércol, revolver bien y de esta manera está listo para llevar a la pila. Construcción de las pilas de abono Para la construcción de la pila de abono, se deben seguir los siguientes pasos: a. Instalar verticalmente cuatro palos de 1-1.20 m en cuadrado, con 1 metro de distancia entre ellos. b. Luego colocar palos en forma horizontal (acostados) y en forma cruzada, apoyados en los palos verticales. c. Depositar todos los días la mezcla de abono preparado. d. Sobre la mezcla, espolvorear un puñado de cal y una pequeña capa de tierra. La primera pila se lleva aproximadamente cinco días, hasta construir seis pilas a los 30 días. 2m a 1m c d Figura 6. Pasos para la construcción de la pila de abono. 32 CONCEPTOS BÁSICOS b Cuando esté fermentado el abono (después de un mes), se deben retirar los palos horizontales poco a poco y, si es posible, colocar unas gallinas para que escarben y coman lombrices y otros animales que se han desarrollado. Cunicultura (cría de conejos) Generalidades La cunicultura es el proceso de reproducción, cría, engorde y explotación de subproductos del conejo como actividad económica rentable. Los conejos son animales de fácil y prolífica reproducción, de los cuales se utiliza la carne para el consumo humano, la piel se usa para elaborar muchos elementos artesanales y el estiércol se utiliza como fertilizante. Las razas más usadas son: 1. El Gigante de Flandes: es de gran tamaño y cuerpo largo, las orejas son grandes, derechas y dirigidas hacia adelante; aunque es buen productor de carne, algunos lo prefieren por su producción de piel. 2. Blanco común: es de aspecto general rústico, su pelo de color gris oscuro, orejas erectas y de tamaño mediano; su carne es de sabor agradable y abundante con relación al tamaño del animal. 3. Nueva Zelandia: es de aspecto general rústico, pelo blanco, ojos rosados, orejas medianas y erectas; se utiliza para producción de carne. 4. Russo: animal de tamaño pequeño y cuerpo alargado, pelo de color blanco excepto en el hocico, orejas y parte final de las patas; su carne es de muy buena calidad. 5 Mariposa: son animales parientes cercanos de la raza Russo, se diferencian de éstos por poseer una marca que les atraviesa la línea superior del lomo, tiene una marca característica en el hocico en forma de mariposa. Figura 7. Algunas de las razas de conejos: el Gigante de Flandes y Mariposa. Alimentación El alimento de los conejos debe contener cantidades proporcionadas de proteínas, hidratos de carbono, grasas, vitaminas, sales minerales y agua. Esto se le proporciona a partir de alimentos de origen vegetal, como: hojas y tallos verdes, alfalfa, tréboles, repollo, coliflor, lechuga, espinaca, acelga, zanahoria (tanto la hoja como la raíz), concentrados y alimentos de origen animal, como: harinas de carne, de pescado o subproductos desecados de la industria frigorífica. 33 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Requerimientos de espacio Para la instalación de la conejera, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: el sitio donde se instale debe estar seco; debe recibir aire fresco, pero sin corrientes de aire; recibir sol especialmente en la mañana; estar protegido del calor fuerte; ser de fácil limpieza y desinfección; el piso debe permitir el paso de los excrementos; los techos y paredes deben ser completamente impermeables, y se deben instalar los comederos y bebederos en un lugar seguro y adecuado. La conejera debe construirse según el siguiente dibujo: 160 cm 115 cm 60 cm 25 cm 80 cm 80 cm 80 cm Figura 8. Jaula para dos conejas de cría. Manipulación y cuidados Se considera que el animal llega a la edad de reproducción cuando madura sexualmente, esta edad oscila entre los cuatro y los siete meses. Se debe mantener el macho separado de las hembras, y sólo se lleva en el momento del celo (éste aparece cada 10 a 15 días). Poco antes del nacimiento de las crías, se deben desinfectar las jaulas; la gestación dura entre 30 y 32 días después de la monta; la lactancia dura entre 40 y 45 días, los gazapos se deben destetar según su grado de crecimiento entre los 18 y 25 días de nacidos, con un peso de 600 a 1 000 g. La hembra debe descansar de 10 a 12 días, antes de volver a ser fecundada. 34 CONCEPTOS BÁSICOS Lombricultura Generalidades La lombricultura es la técnica que trata del cultivo y la utilización de la lombriz roja (Eisenia foetida), es la más utilizada debido a su elevada tasa de producción y a su gran voracidad. Se utiliza en la alimentación de aves, cerdos, peces y humanos; se deshidrata y se extrae la harina para ser utilizada como fuente de proteína, para la elaboración de concentrados animales. Además esta lombriz produce abono orgánico llamado humus, vermicompost o lombricompuesto. Para la lombricultura, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: • Construcción del lecho: para ello, se pueden utilizar orillos de madera, palos redondos, ladrillos, piedras o bloques. Las medidas más comunes son largo 2 m o más, ancho 1 m y alto 40 cm. Se puede construir sobre el mismo piso de tierra, por lo que se hace necesario colocar una capa de grava que sirva como drenaje. • Temperatura: las lombrices requieren una temperatura oscilante entre 18 y 25ºC, por lo que en clima frío puede construirse un invernadero. • El sustrato: es el material a depositar en el lecho, en el cual las lombrices se desarrollan y se multiplican. Este material consta de estiércol y residuos vegetales, debe tener de 10 a 20 cm de alto y puede preparase de la siguiente manera: a) estiércol de caballo, vaca, cerdo, oveja (ocho porciones) y hojas de plantas (dos porciones); b) estiércol (ocho porciones) y papel periódico lavado o cartón (dos porciones); c) estiércol (ocho porciones) y cereza de café descompuesta (dos porciones), entre otras. Después de preparada la mezcla, se le puede agregar de 100 a 200 gramos de Cal Dolomítica, por cada metro cuadrado de la cama, para mantener controlada la acidez; el pH debe oscilar entre 6.5 a 7. • Siembra y alimentación: la semilla que se necesita es de 1 000 lombrices por metro cuadrado; un lecho de 2 m2 produce, en 120 días aproximadamente, 20 kg de lombriz. El sustrato inicial le suministra alimento a las lombrices por un mes aproximadamente, lo más importante en este tiempo es mantener una humedad adecuada de 80 a 85% (si se toma un puñado de sustrato y lo apretamos... está bien si se compacta pero no escurre). Al cabo del primer mes, se debe suministrar alimento en forma continua. Figura 9. La lombriz roja es la más utilizada en la lombricultura. 35 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL • Reproducción: una lombriz pone un huevo cada siete días (cuatro al mes); de cada huevo salen de 2 a 20 larvas. Después de 14 días, ya es madura sexualmente, y se reconoce porque aparece el clitelo, que es un anillo de mayor grosor y de color más claro que el resto del cuerpo. Ellas son hermafroditas incompletas, necesitan acoplarse, pero una fecunda a la otra y al mismo tiempo quedan fecundadas las dos lombrices. Las lombrices nacen midiendo 1 mm y son de color blanco, a los 7 días ya tienen 7 mm, a los 15 días miden entre 12 y 15 mm y se han puesto de color rojo, y a los 90 días miden 3 cm y son de color rojo oscuro. Piscicultura (cría de peces) Generalidades La piscicultura se define como la cría de peces en aguas corrientes o estancadas. El pescado es un alimento muy importante en la dieta familiar y útil para alimentar cerdos. También se cultiva con fines comerciales y económicos. Figura 10. Dos especies de peces que se utilizan en la piscicultura: trucha arco iris y mojarra. Entre los requisitos para la instalación de una estación piscícola está: el análisis de agua (pH, temperatura, minerales); los factores climáticos; análisis de suelos (textura arcillosa reduce los costos de instalación); establecimiento: excavación, cajas de control, canales de pesca, pendientes necesarias para dar la inclinación y profundidad requerida. La profundidad máxima 1.20 m, mínima 80 cm (la luz solar desarrolla el plancton del estanque), indispensable para la formación de cadenas tróficas o alimentarias de las cuales se alimentarán los peces. En aguas frías, 10 a 16°C se puede cultivar trucha, capitán, carpa; de 16 a 24°C o más se cultiva mojarra roja, tilapia negra y carpa; a 24°C o más se cultiva mojarra roja, cachama, carpa, bagre y bocachico. Construcción del estanque Es necesario conocer las características del terreno y si éstas permiten la construcción del estanque. El suelo debe ser arcilloso para que el agua no se filtre, especialmente para peces de aguas quietas. Para la trucha, es recomendable usar geomembrana para impermeabilizar el lugar. El estanque debe tener como máximo 1.20 m de profundidad. 36 CONCEPTOS BÁSICOS Alimentación La alimentación para los peces herbívoros, fuera del alimento que se origina en el estanque con porciones periódicas de estiércol (cerdos, patos), se pueden suministrar otros productos tales como forrajes (bore, hojas de plátano), yuca bien molida o afrecho de maíz. Los peces carnívoros u omnívoros se alimentan de insectos u otros peces que les sirven de presa. La comida ha de suministrarse regularmente tres veces al día, los siete días a la semana. El estanque se abona de 1 kg ó 2 kg por cada 10 m2. En la explotación intensiva, conviene alimentar los peces lo menos posible con concentrados y sí con subproductos de una granja, así: 30% harina de maíz, 30% harina de sorgo, 20% harina de pescado o carne y 20% de guayaba u otras frutas no ácidas. Sistema de cultivo Lo más recomendable en climas medios o cálidos es el policultivo, éste consiste en cultivar en el mismo estanque hasta tres clases diferentes de peces con un hábitat, entre sí, diferente: la mojarra roja vive en la superficie, la cachama en aguas intermedias y la carpa, por ser filtradora, vive en el fondo. Los peces se pueden cebar en jaulas que se colocan dentro del estanque, los agujeros deben ser más pequeños que el tamaño de los peces, para evitar la salida de éstos. La alimentación se le suministra directamente en la jaula. Este sistema es apto para ciénagas, lagos, embalses en todas las regiones o climas, la capacidad de las jaulas es de 60 a 150 peces por m3. Generalmente, un alevino macho de un estanque bien abonado sale pesando media libra a los seis meses. Una cachama pesará una libra en seis meses. Avicultura (cría de aves de corral) Generalidades La avicultura es la cría de aves de corral (pollos, gallinas, gallos, patos, pavos), en sitios especiales para aprovechar sus productos. Figura 11. Los animales más utilizados en la avicultura son los pollos y las gallinas. Dimensiones del nido: Largo: 32 cm Ancho: 28 cm Alto: 30 cm 37 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los gallineros deben tener las siguientes características: en clima cálido tener al menos dos corrales separados, mientras que en clima frío o húmedo, cuatro corrales; además los corrales deben tener un cobertizo o galpón para abrigo de los animales y suficientes nidos para postura. En cada metro cuadrado de corral, caben de tres a cuatro gallinas. Alimentación En cuanto a la alimentación, los alimentos ricos en proteína son proporcionados para aves en crecimiento y en postura, éstos son: la torta de ajonjolí, soya, fríjol, harina de pescado y alimentos verdes. Los alimentos energéticos se les suministran a las aves de engorde, entre éstos están: maíz, trigo, avena y alimentos cocidos como la papa y la yuca; y suplementos minerales como fosfato, provenientes de huesos, calcio y sal. El consumo de alimento está entre 100 y 115 gramos por día y cada 50 ponedoras beben de 12 a 16 litros de agua por día. Los comedores pueden colocarse en forma colgante. Un comedero para cada 25 ponedoras. Las ponedoras deben presentar las siguientes características: crestas y barbillas grandes, rojas y carnosas; cloaca húmeda, ovalada y de buen tamaño; y patas y pico blancos. En cuanto a la recolección y almacenaje de huevos, se deben hacer de dos a tres recogidas diarias; los huevos se deben guardar en sitios frescos y bien ventilados. La producción dura entre 10 y 14 meses. Para alimentar pollos de engorde, se utiliza un jugo fresco, ofreciéndolo a voluntad y suministrando 50 gramos por día de suplemento proteico del 40% de proteínas con harina de pescado y torta de soya o ajonjolí. Con esto, se sacan pollos de 2 kg de peso en 8 semanas. Huerta casera Generalidades La construcción o instalación de una huerta casera tiene muchas ventajas, entre las cuales se podría mencionar que es una despensa de alimentos para la familia, además los productos que se dan en ella son ricos en vitaminas y minerales, esenciales para una buena alimentación. Los productos que no se consuman se pueden utilizar como alimento para otros animales o para la fabricación de abono. 38 CONCEPTOS BÁSICOS Figura 12. Las hortalizas son una fuente importante de vitaminas y minerales. Para la construcción de la huerta casera, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: escoger un buen terreno, es decir, que tenga agua limpia disponible, debe ser de un tamaño de fácil manejo y cuidado. Una opción, para seleccionar los alimentos de la huerta, es lo que más se dé en la región, se deben sembrar varias clases de hortalizas (de hoja y raíz), se deben preparar semilleros cada dos o tres semanas, de esta manera, se garantiza variedad de hortalizas durante el año. Preparación de semilleros Los semilleros se preparan para depositar la semilla y proporcionarle los máximos cuidados durante la germinación y crecimiento de la plántula hasta el trasplante. Deben colocarse en un lugar seguro, sombreado y protegido contra animales domésticos. Para otros aspectos relacionados con la huerta casera, revisa el capítulo 1, del libro de Conceptos Básicos de grado sexto. Cultivos hidropónicos Generalidades La hidroponía es la ciencia de cultivar plantas sin tierra, en pequeñas áreas y que produzcan buenas cosechas a mínimo costo; a cambio de la tierra se utiliza un medio inerte como la cascarilla de arroz, la gravilla, la arena lavada, ladrillo o teja molida, a los cuales se les añade una solución de nutrientes, para su crecimiento y desarrollo. 39 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL PARA UN CULTIVO HIDRÓPONICO DE ÉXITO, SE REQUIERE MÁS QUE TODO “BUENA VOLUNTAD” DE HACER LAS COSAS BIEN. ES UNA TÉCNICA FÁCIL DE APLICAR. AGUA Y NUTRIENTES GRAVILLA ARENA ESCORIA CASCARILLA O TEJA MOLIDA RECICLAJE DE LA SOLUCIÓN NUTRITIVA (EXCELENTE) SE APROVECHA TANTO EL SOL COMO LA LLUVIA PARA EL BENEFICIO DE SU CULTIVO TANQUE DE AGUA PARA RIEGO TICO PLÁS RENTE A P S TRAN Figura 13. El cultivo hidropónico debe ubicarse en un sitio de fácil acceso y con una buena iluminación. 40 CONCEPTOS BÁSICOS Por medio de los cultivos hidropónicos, se logra la participación de muchas personas en la elaboración y proceso del cultivo; brinda una excelente oportunidad para mejorar dietas alimentarias; genera ingresos y utiliza espacios vacíos, crea al mismo tiempo ambientes agradables. El cultivo hidropónico debe estar expuesto a la luz del sol, necesita estar cubierto, en lo posible, con plástico transparente en forma de invernadero. Debe tener agua pura y siempre disponible; el cultivo debe estar ubicado en un sitio de fácil acceso y con buena iluminación. La canaleta debe tener un desnivel, para que la solución nutritiva realice su recorrido y los excedentes de la solución se recojan en un recipiente para volver a reutilizarlos. Requerimientos de espacio y nutrientes Para la construcción de las canaletas, se pueden utilizar ladrillos, cajones de madera, recipientes plásticos, listones. Para el sustrato, arena lavada del río, viruta o aserrín de madera. La solución nutritiva es una mezcla de agua y fertilizantes, que se suministra a la planta como fuente de alimento. La solución se puede comprar o preparar en la casa con dos tipos de nutrientes: el nutriente mayor, es un líquido transparente e incoloro que contiene elementos como nitrógeno, fósforo, potasio y calcio, y el nutriente menor, es un líquido de color amarillo oscuro que contiene los elementos: magnesio, boro, zinc, azufre, manganeso, hierro, cobre, cobalto y cloro. Agua caliente 70 100 cm cm 10 cm Por otra parte, los semilleros, para los cultivos hidropónicos, se construyen con una caja de madera u otro recipiente, en el cual se deposita el sustrato y la semilla, como se muestra en la figura. Huecos de desagüe Figura 14. Construcción de un semillero rústico. Para la elaboración del semillero, se construye una caja de madera de 1 m de largo, 70 cm de ancho y 10 cm de profundidad. Se lava la caja con agua caliente; se le hacen unos desagües para recuperar el sobrante de la solución nutritiva; se llena con el sustrato seleccionado; se moja con agua caliente para desinfectar el sustrato; se nivela con la mano la superficie del semillero y se abren surcos o zanjas de un centímetro de profundidad, con una distancia de 5 cm una de la otra; sobre los surcos se distribuyen las semillas en hilera uniformemente; se cubren las semillas, y con la mano se presiona la superficie del 41 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL semillero. Se cubre el semillero con un costal de fique y se retira a los ocho días cuando las plantas empiecen a germinar. Se debe agregar un litro de agua en la mañana (por metro cuadrado) y otro en la tarde (también por metro cuadrado). Para el trasplante, después de 20 a 30 días, las plantas deben medir aproximadamente 8 cm. Las camas, para transplantarlas, pueden ser largas; pero no deben pasar de 70 a 90 cm de ancho, y una profundidad de 10 a 20 cm. El trasplante debe hacerse en horas de la tarde (4 ó 5 p.m.). La cama o canaleta se debe construir en bloques o ladrillo, se debe cubrir el fondo totalmente con plástico; luego se llenan las camas o canaletas con los sustratos, y se hacen hoyos con la profundidad suficiente para depositar la planta, dejando un espacio entre cada una. El ciclo del riego debe hacerse por cada metro cuadrado de la cama, utilizando 2 litros de solución preparada. Zoocriaderos de reptiles La zoocría es una alternativa de producción sostenible, que se caracteriza por el manejo y aprovechamiento de las especies de fauna silvestre, la cual permite su conservación, mientras se obtienen beneficios económicos (ejemplo, producción de piel). Desde el punto de vista normativo, ambiental, ético y social, es una alternativa que vincula el patrimonio natural a la producción. Figura 15. Dos especies que se utilizan para la zoocría: boa e iguana. La zoocría tuvo un comienzo difícil, ya que no contaba con experiencia técnica suficiente y fue necesario, mediante la aplicación del método de ensayo-error, construir la base inicial para poder avanzar en esta nueva actividad. Sin embargo, el panorama actual y futuro, desde el punto de vista técnico, es más estructurado, pues la investigación que se ha hecho en materia de alimentación, nutrición, incubación y manejo en general permite mantener y mejorar la producción. Las especies más utilizadas para zoocriaderos son: Caiman crocodilus, Iguana iguana y Boa constrictor. 42 CONCEPTOS BÁSICOS Caiman crocodilus Generalidades El Caiman crocodilus, babilla o baba habita en las tierras bajas tropicales, entre los 0 y los 500 m sobre el nivel del mar; su hábitat natural lo constituyen aguas naturales o artificiales, someras o profundas en cuerpos de aguas dulces o incluso salobres. Los machos adultos del caimán son de mayor tamaño que las hembras; éstos alcanzan aproximadamente 250 cm de longitud, mientras que ellas hasta 170 cm, éstas son sexualmente maduras cuando tienen un promedio de 110 cm de longitud y 4 000 g de peso; los machos son maduros en su reproducción con una longitud de 140 cm y 8 000 g de peso. Los caimanes, al igual que todos los Crocodylia, son animales carnívoros, poiquilotermos (la temperatura corporal tiende a fluctuar más o menos con la temperatura del medio ambiente) y ectotermos (su principal fuente de energía del medio ambiente es la energía solar). Las anteriores características definen las principales pautas para su manejo en condiciones controladas. En el caimán, la temperatura corporal depende del estado nutricional, salud, contexto social, el hábitat y la temperatura del ambiente; puede presentar una temperatura corporal entre 25°C y 34°C. A temperaturas menores de 25°C, se reduce la ingesta y se deprime el crecimiento, igual sucede si la temperatura es superior a 35°C. Los caimanes viven en grupo y soportan altas densidades de población. Alimentación El caimán es exclusivamente carnívoro, aunque en su dieta pueden incluirse proteínas y fibras de origen vegetal; de acuerdo con la composición y calidad de la ración, se establece la cantidad y frecuencia del suministro de alimento, el régimen de alimento puede variar entre diario y hasta día de por medio. Reproducción Los caimanes se reproducen anualmente, el período reproductivo comprende desde el apareamiento hasta la postura y la incubación, con una proporción máxima de un macho por cinco hembras en un área entre los 10 y 40 m2. Los caimanes son ovíparos y las hembras construyen con hojarasca los nidos en los que depositan los huevos. El sexo del caimán, al igual que muchos reptiles, es determinado por la temperatura a la que se expone el embrión durante los primeros 10-15 días de incubación. A temperaturas por debajo de 31.5°C, se producirán hembras y por encima de la misma, los individuos serán machos, el tamaño medio de la nidada es de 28 huevos, con un período de incubación de 72 a 85 días. 43 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Crecimiento y desarrollo Es necesario adecuar una zona que ofrezca una temperatura apropiada y libre de patógenos. El crecimiento depende de la calidad, cantidad y frecuencia de alimento suministrado, el caimán aumenta su talla mensualmente hasta excepcionalmente 8 cm. La comercialización se hace a través de su piel, el tratamiento de ésta debe incluir procesos de asepcia y conservación. Utilidad La cría de esta especie se hace principalmente con fines comerciales, sus huevos se utilizan como alimento en algunas partes del mundo, su piel es muy adecuada para la elaboración de artículos de la industria manufacturera, y el extracto de sus glándulas de almizcle se utiliza en la elaboración de perfumes. Iguana iguana Generalidades La iguana o iguana verde se encuentra en México, Centroamérica, Paraguay, Brasil y en el Caribe y Pacífico colombiano; habita hasta los 1 000 m sobre el nivel del mar. La iguana adulta alcanza hasta los 2 m de longitud, de lo cual el 75% puede corresponder a la cola. Los machos alcanzan un peso de 6 000 g, aunque normalmente llegan a 4 000 g; las hembras son más pequeñas en longitud y peso, el cual varía entre 1 500 y 2 000 g, su hábitat es fundamentalmente arbóreo. La iguana, al igual que el caimán, es un reptil poiquilotermo, ectotermo pero herbívoro. Las iguanas son activas a temperaturas entre 26 y 42°C y pueden fallecer si la temperatura sobrepasa los 46°C, son animales ovíparos. Alimentación La base de su alimentación son las hojas y los frutos, los cuales se suplen con arroz cocido o germen de arroz, igualmente aceptan raciones de harina de carne o harina de pescado, los ciclos de alimentación pueden ser día de por medio. Reproducción El apareamiento y la postura de huevos se lleva acabo en el período previo a la época de lluvia. Los machos son fuertemente territoriales y pueden aparearse con cuatro o cinco hembras, estas últimas pueden copular con más de un macho. El tamaño de la nidada oscila entre 6 y 70 huevos, con un promedio de 40; los huevos son depositados en nidos excavados a diferente profundidad. Para la reproducción de las iguanas, se emplean ca44 CONCEPTOS BÁSICOS jas de malla desde 1 m2 hasta corrales de 800 y 7 000 m2, se emplean proporciones entre 3:1 y 4:1 hembras por macho. Utilidad La cría de iguanas puede llegar a ser muy rentable, ya que tanto su carne como sus huevos son muy apreciados como alimento. Boa constrictor Generalidades Es uno de los vertebrados más ampliamente distribuidos y seguramente la serpiente más conocida del mundo. Su distribución en Colombia corresponde a la costa Caribe y a los valles interandinos. Se caracteriza por ser de hábitos nocturnos; permanecen solitarias, pero forman parejas por períodos cortos correspondientes a épocas de apareamiento. Se alimenta principalmente de aves y mamíferos, los cuales mata por constricción produciendo asfixia; pueden llegar a tener una longitud de 5.50 m, con un promedio entre 3.6 m a 4.5 m, su peso medio es de 107 kg y alcanza su madurez sexual a los 19 meses. Alimentación Son exclusivamente carnívoras, la masa corporal es fundamental; las hembras presentan períodos de ayuno (hasta de nueve meses) durante la preñez. En el caso de los machos, no es recomendable alimentarlos algunas semanas antes de ponerlos en contacto con las hembras. Se utilizan como fuentes de alimentación pollos vivos; cuando las serpientes tienen algunas semanas, se cambia su alimentación por codornices de tres días de nacidas o ratones de 8 a 12 g. Reproducción Los Boidae se reproducen anualmente, lo cual depende de las condiciones de manejo. La temporada de apareamiento en Colombia ocurre entre los meses de julio y diciembre, y en el cortejo se observan tres fases: seguimiento del macho, monta del macho sobre la hembra e introducción de los hemipenes. Para el apareamiento, se maneja una relación de dos machos por una hembra, el área adecuada para ellos puede ser mayor a 4 m2 para un grupo de tres a cuatro adultos. La madurez sexual puede darse a los 19 meses, pero las cópulas exitosas se presentan entre los cinco y seis años, la gestación dura alrededor de seis meses. 45 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Crecimiento y desarrollo Los juveniles deben manejarse preferiblemente de forma individual o en densidades muy bajas, utilizando módulos que permitan una temperatura adecuada, suministro de alimento y agua; y control de patologías infecciosas, así como de parásitos. Utilidad La explotación de la zoocría de la boa está destinada principalmente a la venta con dos fines, uno para la industria manufacturera y el otro por solicitud de laboratorios de investigación. En la página siguiente, se presenta un mapa conceptual de las principales alternativas que se pueden trabajar en los Proyectos Pedagógicos Productivos de tipo agro-industrial. 1.5 METODOLOGÍA PARA IMPLEMENTAR UN PROYECTO PEDAGÓGICO PRODUCTIVO Corresponde a la sesión de GA 1.8 ¿CÓMO FORMULAR UN PPP? Para formular un Proyecto Pedagógico Productivo (PPP), se deben tener en cuenta unos aspectos metodológicos, sin que se convierta en un requerimiento su total cumplimiento, ya que cada proyecto es único y requiere de una atención especial, por lo que la metodología puede variar sustancialmente de un caso a otro. Una orientación para desarrollar un PPP es la siguiente: • Es necesario conocer las estrategias de organización con las que cuenta la comunidad, ya sean Junta de Acción Comunal (JAC), comités cívicos, etc. Esto con el fin de crear los mecanismos de acción, en los cuales se apoyará la formulación y desarrollo del proyecto. • Diagnóstico de la comunidad, en el cual se contemplarían: reuniones con miembros de la comunidad; priorización de necesidades o problemáticas de la comunidad; elaboración de un inventario de los recursos con los que se cuenta para el proyecto, y la toma de decisión acerca del problema que se va a seleccionar como tema del proyecto. En el diagnóstico es necesario: recuperar la historia de la comunidad mediante la conversación con las personas que llevan más años en el lugar; reconocer las instituciones sociales existentes en la comunidad en el pasado y el presente, y las funciones que desempeñan. Y determinar los siguientes aspectos: social (población), físico (viviendas) y económico (productos). • Elaboración del proyecto, seleccionar título del proyecto, plantear la justificación, formular objetivos, definir la población con la cual se va a desarrollar el proyecto, definir la metodología que se va a utilizar, recolectar la información, analizar los resultados, evaluar dichos resultados y divulgarlos. 46 CONCEPTOS BÁSICOS 47 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL CARNE para producción de CRÍA DE CERDOS es la PORCICULTURA COMPOST se utiliza para fabricar ESTIÉRCOL su ALIMENTACIÓN HUMANA CARNE para producción de TRUCHA ARCO IRIS Y MOJARRA cría de PISCICULTURA HUMUS para producción de LOMBRICES cría de LOMBRICULTURA CONCENTRADOS ANIMALES CARNE Y PIEL para producción de BLANCO RUSSO NUEVA ZELANDA GIGANTE DE FLANDES MARIPOSA de las razas CUNICULTURA trabajan HUEVOS Y CARNE para producción de POLLOS Y GALLINAS cría de AVICULTURA PIEL producción de y FAUNA SILVESTRE para producción de IGUANA CAIMÁN BOA cría de ZOOCRÍA DE REPTILES LOS PROYECTOS PEDAGÓGICOS PRODUCTIVOS AGRO-INDUSTRIALES HUMANO E INDUSTRIAL para consumo HORTALIZAS siembra de HUERTA CASERA ALIMENTOS para producción de ÁREAS REDUCIDAS en CULTIVOS DE PLANTAS SIN TIERRA son CULTIVOS HIDROPÓNICOS 1.6 ALGO DE HISTORIA SOBRE LOS PROYECTOS PEDAGÓGICOS PRODUCTIVOS Corresponde a la sesión de GA 1.9 BUSCANDO SUS RAÍCES La era cristiana o era cronológica es el período que empieza el 1 de enero del año 1 d. de C. (después de Cristo), fijado convencionalmente como la fecha en que nació Cristo. La cultura egipcia surgió hacia el año 3000 a. de C., y la grecorromana hacia el año 1100 a. de C., muestran una paulatina evolución desde una sociedad de cazadores-recolectores (grupos humanos que practican la caza y la recolección de alimentos silvestres, sin desarrollar ningún tipo de agricultura) seminómadas a agricultores sedentarios. Los Proyectos Productivos no son una estrategia de nuestro tiempo. Al contrario, toman su origen en la raíz misma de la historia, pueden considerarse como una técnica utilizada desde la antigüedad por el ser humano; por ejemplo, hace unos cuatro mil años antes de la era cristiana estaban incorporados en el sistema social de las culturas Egipcia y Grecorromana. En la Edad Media, alcanzan un período de especialización a través de las corporaciones y fraternidades para la transmisión de conocimientos de las artes y oficios de una generación a otra. El proceso se llevaba a cabo a través de la capacitación del aprendiz que se sometía a una etapa de instrucción entre los 14 y 21 años, y al cabo de este tiempo se convertía en maestro. Posteriormente, con la Revolución Industrial, que se caracterizó por tener una concepción materialista, se creyó que el proceso de aprendizaje pasaría a un segundo plano; pero no fue así, ya que las máquinas requerían personal capacitado para su manejo. Lo anterior nos muestra que, desde hace mucho tiempo, la educación está relacionada con la producción y con las relaciones de trabajo. En educación hablamos de Proyectos Pedagógicos Productivos, por cuanto lo que más importa es el proceso pedagógico o proceso formativo de las personas para aprender a producir y obtener beneficios sociales y económicos. Período comprendido entre 1700 y 1950, es un proceso de evolución que conduce a una sociedad desde una economía agrícola tradicional, hasta otra caracterizada por procesos de producción mecanizada con el fin de producir bienes y servicios a gran escala. 48 CONCEPTOS BÁSICOS La edad media es un término utilizado para referirse a un período de la historia europea, que se dio desde la desintegración del Imperio Romano en el siglo V, hasta el siglo XV. Se considera una época de estancamiento cultural. Se llamaba así a la persona que se incorporaba a un sistema de capacitación, con el fin de adquirir conocimientos y habilidades para desempeñar un determinado oficio, trabajando con los expertos de un sector, durante un determinado período. Este sistema de aprendizaje fue utilizado por los gremios en la Edad Media hasta la Revolución Industrial. Capítulo 2 LOS BIOELEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS EN EL METABOLISMO Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio es materia. La materia se encuentra en constante cambio; para estudiarla se agrupa jerarquizándola de menor a mayor complejidad y grado de organización. Los organismos, desde sus formas más pequeñas hasta las más grandes, son manifestaciones de los cambios de la materia y su interacción con la energía. Las masas humanas más peligrosas son aquellas en cuyas venas ha sido inyectado el veneno del miedo... del miedo al cambio. OCTAVIO PAZ 49 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL LA DINÁMICA DE LAS BIOMOLÉCULAS EN NUESTRO ORGANISMO Corresponde a la sesión de GA 2.13 (5.2) SIMPLEMENTE CHON Es uno de los principales órganos de los vertebrados y uno de los más grandes, tiene un peso aproximado de 1.5 kg, se ubica en la cavidad abdominal. Entre las funciones más importantes de este órgano están: almacenar y liberar carbohidratos, desempeña un papel central en la regulación de la glucosa sanguínea, procesa aminoácidos para convertirlos en carbohidratos, fabrica las proteínas del plasma, degrada la hemoglobina de los glóbulos rojos muertos o dañados. Además, en el proceso de digestión, se encarga de la secreción de la bilis, sustancia que interviene en la emulsión y absorción de grasas. Finalmente, filtra drogas y sustancias que pueden circular en el torrente circulatorio. Los triglicéridos son un grupo de compuestos orgánicos, formados por moléculas de ácidos grasos y una molécula de alcohol glicerina. Entre los triglicéridos se encuentran las grasas y los aceites; se consumen principalmente en la alimentación. Según estudios, se ha comprobado que el consumo de dietas con alto contenido de grasas, producen problemas circulatorios y del corazón. Los carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas, al igual que los minerales, son sustancias que se han catalogado como esenciales para el buen funcionamiento del organismo. Los carbohidratos, por ejemplo, para la mayoría de organismos heterótrofos, son la principal fuente de energía. En los mamíferos, el hígado es el órgano más rico en reserva de carbohidratos, los cuales se encuentran en forma de almidón llamado glucógeno. Las grasas, al igual que los carbohidratos, sirven como fuente de energía; se le proporcionan al organismo en la dieta, en forma de triglicéridos, los cuales, a través de los jugos digestivos, son convertidos en glicerol, ácidos grasos y fragmentos de grasas; el glicerol es absorbido directamente por el torrente sanguíneo y distribuido a todas las partes del cuerpo. El consumo de proteínas, a través de los alimentos, permite el suministro de aminoácidos esenciales y restaura la pérdida constante de nitrógeno excretada en el metabolismo. Las vitaminas y los minerales, aunque son compuestos importantes para el organismo, se requieren en cantidades muy pequeñas. Hígado CONDUCTO DE SALIDA DE LA BILIS VESÍCULA BILIAR Los aminoácidos son compuestos orgánicos que se caracterizan por contener un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH). Veinte aminoácidos son los constituyentes de las proteínas. Todos los aminoácidos responden a la siguiente fórmula: R NH2 C H O C OH El grupo R es diferente en cada aminoácido. 50 CONCEPTOS BÁSICOS Se denominan así en relación con la nutrición; éstos dependen de otros organismos para su alimentación, ya que no pueden asimilar el carbono oxidado en forma directa, lo obtienen de moléculas ya elaboradas por los organismos autótrofos La vitamina D es indispensable para la formación de huesos y la retención de calcio y fósforo. Existen dos formas como se produce esta vitamina: la primera es a través de alimentos como yema de huevo, hígado, leche y atún. La segunda forma es cuando los esteroles, que se encuentran en algunos alimentos, se desplazan hacia la piel y reciben la radiación solar. Tanto las vitaminas como los minerales participan principalmente en las funciones de crecimiento, funcionamiento y regeneración de tejidos corporales. El cuerpo no tiene la capacidad de sintetizarlos (a excepción de la vitamina D y la niacina), se proporcionan a través de la dieta alimenticia. La información que dictan las estructuras de la enorme variedad de moléculas de proteínas, que se encuentran en los organismos, está codificada en las moléculas conocidas como ácidos nucleicos y es traducida por éstas. Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos están formados por largas cadenas de nucleótidos; además son los responsables de regular los procesos y funciones de la célula, ya que guardan toda la información necesaria para realizar funciones propias de cada especie. Es una vitamina del complejo B, funciona como coenzima para liberar energía del cuerpo. Se suministra al organismo a través de dos vías: en la dieta alimenticia (hígado, carne, atún, cereales) y es fabricada en el cuerpo a través del aminoácido triptófano. El nucleótido es una molécula más compleja que un aminoácido, está formado por tres subniveles: un grupo fosfato, un azúcar de 5 carbonos y una base nitrogenada BASE NITROGENADA N NH2 C C Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son sustancias indispensables en los seres vivos, según los científicos, estas sustancias aparecieron hace aproximadamente 3 000 millones de años, cuando surgieron las primeras formas de vida en la Tierra. En la actualidad, se ha logrado descifrar la secuencia de estos en las proteínas. H N C C O O H N H P O C O H C GRUPO FOSFATO C H N O H H C C C H OH OH AZÚCAR 2.1 ELEMENTOS Y COMPUESTOS DE LA VIDA Corresponde a la sesión de GA 2. 13 (5.2) SIMPLEMENTE CHON Los seres vivos están formados por una gran cantidad de sustancias de todos tipos: desde las más sencillas, como los elementos químicos, hasta las muy complejas; es decir, las que están formadas por muchas partes. 51 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los bioelementos Actualmente, se conocen 92 elementos químicos naturales. Los más abundantes en el universo son el hidrógeno (H), el helio (He), el neón (Ne), el carbono (C), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N). No es sorprendente entonces que sólo cuatro elementos –el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno (en adelante C, H, O, N)– se encuentran en mayor proporción en los seres vivos. Por ejemplo, en el cuerpo humano representan, aproximadamente, el 94% del total de los elementos presentes (H: 62%, O: 23%, C: 9% y N: 1%). C H O N Carbono Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno Figura 1. Principales bioelementos: a) carbono, b)hidrógeno, c) oxígeno y d) nitrógeno. A los elementos presentes en los seres vivos se les denomina bioelementos. Uno de los bioelementos, el carbono, tiene características especiales que lo hacen ser un constituyente común a todos los compuestos orgánicos. Los átomos de carbono tienen la capacidad de unirse sucesivamente para constituir cadenas y anillos de forma variable; por tanto, pueden producir compuestos con la misma composición química, pero con diferentes estructuras. Además, pueden enlazarse al mismo tiempo con cuatro átomos, iguales o diferentes, y forman uniones muy fuertes con elementos como H, O, N, azufre (S) y fósforo (P), entre otros. 52 CONCEPTOS BÁSICOS H H Eslabones C H H Cadena H H H H H H H H C C C C C C C C H H H H H H H H ... Figura 2. Los átomos de carbono pueden unirse como los eslabones de una cadena. Las biomoléculas En la naturaleza, la mayoría de los elementos químicos se encuentran entrelazados, formando diversas moléculas simples como el agua (H20), el bióxido de carbono (CO2), el amoníaco (NH3), el metano (CH4), etc. Figura 3. Ejemplos de moléculas simples: a) agua (H20), b) bióxido de carbono (CO2 ), c) metano (CH4 ) y d) amoníaco (NH3 ). Asimismo, estas moléculas se unen de diversas formas y constituyen compuestos más grandes y complejos. En los seres vivos, dichas sustancias se denominan compuestos orgánicos, biocompuestos o biomoléculas. Algunos de ellos son los azúcares simples, los ácidos grasos, los aminoácidos y los nucleótidos. Glucosa Fructosa Sacarosa Figura 4. La glucosa y la fructosa son azúcares que se pueden comparar con los eslabones de una cadena, pues al unirse originan estructuras mayores como la sacarosa. 53 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Las moléculas orgánicas simples se denominan monómeros y son la estructura fundamental de otras biomoléculas de las células. Por ejemplo, la unión de varios aminoácidos (monómeros) forman conjuntos llamados polipéptidos, como las proteínas; varios nucleótidos entrelazados arman polinucleótidos, como los ácidos nucleicos; los azúcares simples constituyen los polisacáridos o carbohidratos más complejos; y los ácidos grasos originan muchos lípidos. AMINOÁCIDO (GLICINA) AMINOÁCIDO (ALANINA) MENOS AMINOÁCIDO (GLICINA) AGUA CADENA DE POLIPÉPTIDOS Figura 5. Las proteínas y los polipéptidos son el resultado de la unión de los aminoácidos. Las biomoléculas citadas en el párrafo anterior –proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos complejos y lípidos– generalmente son compuestos más estables en su estructura y proporcionan, mediante complicadas interacciones, gran parte de las características de los seres vivos. La presencia de las biomoléculas, en todos los seres vivos, es una característica que los une. Se han clasificado en varias clases, según su naturaleza: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. 2.2 LOS CARBOHIDRATOS O GLÚCIDOS Corresponde a la sesión de GA 2.14 (6.2) DULCE Y ALMIDONADO Los carbohidratos o glúcidos son la fuente de energía más abundante y más barata que se encuentra en la naturaleza. Están formados por C, H y O. Aunque no es correcto, a los carbohidratos suele asignárseles el nombre de azúcares debido a que este grupo incluye las sustancias que proporcionan el sabor dulce, como el que proviene de las frutas, verduras y raíces. Uno de los principales carbohidratos es la sacarosa. Los carbohidratos pueden disolverse en el agua. 54 CONCEPTOS BÁSICOS Los carbohidratos se consumen en el metabolismo para producir energía, liberando a la vez dióxido de carbono y agua; si se consumen en alto porcentaje, se acumulan en los músculos en forma de reserva energética, la cual es utilizada en caso de emergencia. Según la complejidad química de los carbohidratos, se clasifican en: monosacáridos y oligosacáridos, dentro de los cuales están: los disacáridos y polisacáridos. Figura 6. El sabor dulce de algunas frutas, verduras y raíces se debe a los carbohidratos. Monosacáridos Los monosacáridos (del griego mono “uno”) son azúcares simples que cuentan con un número pequeño de átomos de carbono; por ejemplo, las triosas contienen tres átomos de carbono; las pentosas, cinco; las hexosas, seis; etc. En las células, los monosacáridos desempeñan funciones indispensables; por ejemplo, la ribosa es necesaria durante la fotosíntesis, además junto con la desoxirribosa, forma parte de la estructura de los ácidos nucleicos. La glucosa, por otra parte, constituye la fuente primaria de energía para las células, a partir de ella se construyen otras moléculas. Por esta razón, cuando hay consumo de alimentos ricos en carbohidratos (papa, yuca, arroz, etc.), éstos se deben romper para liberar este azúcar, luego a través de un proceso de respiración se extrae la energía de esta molécula, a través del rompimiento entre átomos. O H H C H C O O C H H C O H H C O H H C O H H H Figura 7. La glucosa es un monosacárido importante, ya que almacena energía para las funciones celulares. 55 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL La glucosa es la única hexosa que se encuentra en cantidades apreciables en el organismo, los demás carbohidratos que ingerimos son transformados en glucosa por el hígado. Es un componente indispensable en la sangre. Un aumento prolongado de la concentración de la glucosa en la sangre, como tiene lugar en la diabetes sacarina, sin tratamiento o mal controlado, puede causar alteraciones metabólicas y graves daños a ciertos tejidos como el ojo y el riñón. Una concentración reducida de glucosa en la sangre origina gran irritabilidad de ciertas células cerebrales, pueden producirse convulsiones y pérdida del conocimiento; por lo tanto, las células cerebrales necesitan glucosa para su metabolismo. Un monosacárido importante es la galactosa que hace parte de compuestos químicos, fundamentales en los tejidos nerviosos del cerebro. Existen otros monosacáridos como la fructosa, que le da el sabor dulce a las frutas y a la miel, tiene gran poder endulzante, por esta razón, se utiliza en la industria alimentaria como aditivo en: galletas, dulces, gaseosas, etc. Oligosacáridos Disacáridos Los disacáridos (del griego di “dos”) son compuestos formados por la unión de dos monosacáridos; los más comunes son la maltosa, la lactosa y la sacarosa, todos ellos de fórmula C12H22O11. La sacarosa (azúcar de mesa) está constituida por una molécula de glucosa y una de fructosa, se encuentra de manera abundante en la remolacha y la caña de azúcar. La lactosa, la cual está formada por una molécula de glucosa y una de galactosa; se encuentra sólo en la leche de los mamíferos. Es poco soluble en agua y es la menos dulce; el organismo utiliza este azúcar cuando lo descompone en sus dos elementos que lo constituyen (glucosa y galactosa), esto lo hace a través de una enzima que se encuentra en el intestino; algunas personas carecen de esta enzima, lo cual hace que no puedan descomponer la lactosa y les produzca trastornos estomacales. La maltosa es otro disacárido, el cual está formado por dos moléculas de glucosa. La unión de muchas maltosas es lo que forma el almidón. Éste se encuentra en gran porcentaje en las semillas que se encuentran en proceso de germinación. Unas enzimas, con ayuda del agua, rompen el almidón y liberan maltosa, luego las células de la planta toman la glucosa de la maltosa para la formación y crecimiento de la radícula de la planta. La maltosa, liberada en este proceso de germinación, es la que se utiliza en la fabricación de cerveza, a través de un proceso de fermentación. Muchos de los disacáridos presentes, por ejemplo, en postres, se desintegran en el cuerpo a través de los ácidos del intestino de los animales, o por enzimas que están en las células, con ayuda de moléculas de agua. 56 CONCEPTOS BÁSICOS Polisacáridos Los polisacáridos (del griego polis “muchos”) están formados por la unión de un gran número de monosacáridos, se caracterizan por carecer de sabor y de olor. El almidón, el glucógeno y la celulosa son ejemplos de estos compuestos. El almidón y el glucógeno (ambos formados por unidades de glucosa) son polisacáridos que tienen una gran importancia biológica, ya que representan sustancias de reserva energética en células vegetales y animales. El almidón puede encontrarse en alimentos como la papa, yuca, etc., o cuando se preparan alimentos procesados a partir del plátano, la cebada o el trigo, como las féculas. La principal reserva de glucógeno, en muchos animales está en el hígado. La celulosa es un carbohidrato estructural, por su parte, forma las paredes celulares de los vegetales en troncos y tallos, les da rigidez. Este hecho puede apreciarse, por ejemplo, en la madera y el algodón. Además, la encontramos en el papel. La desintegración de la celulosa en glucosa se hace a través de una enzima que sólo la poseen algunos microorganismos como hongos y bacterias. Los animales herbívoros, como las vacas, son capaces de descomponer la celulosa, gracias a las bacterias y hongos que tienen en su aparato digestivo; al igual que las termitas y las lombrices que comen desechos de plantas y madera. Las hojas de las plantas son fábricas naturales de la glucosa. Lo hacen tomando CO2 del aire y agua del suelo; acompañado con energía solar, convierten todo esto en glucosa. Aunque parece sencillo, es un proceso complejo que lleva implícitas muchas reacciones. Figura 8. El almidón que se extrae de la papa es un polisacárido. Los carbohidratos no sólo son la principal fuente de energía de las células, también son componentes estructurales y de sostén. Algunos polisacáridos complejos hacen parte de la pared de las bacterias. Otro polisacárido, como la quitina, hace parte del caparazón de los crustáceos. 57 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 9. El papel se obtiene de la celulosa –un polisacárido– proveniente de los árboles. 2.3 LOS LÍPIDOS Corresponde a la sesión de GA 2.15 (7.2) ¡CUÁNTA GRASA! Los lípidos son un grupo de biomoléculas formadas por C, H y O; pero proporcionalmente tienen menos oxígeno que los carbohidratos. En general, se caracterizan porque se disuelven en sustancias orgánicas tales como la acetona, alcohol, éter y cloroformo. Los lípidos son insolubles en el agua. Sus representantes más importantes son las grasas y los aceites. Los lípidos son pobres conductores de calor; es por esta razón que el tejido adiposo del cuerpo sirve como aislante natural, manteniendo constante la temperatura interna. Los lípidos, comúnmente llamados grasas, están clasificados en simples, complejos y esteroides. Lípidos simples Los lípidos simples son todos los compuestos conocidos como grasas, ceras y aceites. Las grasas son las que hacen parte del tejido adiposo y están presentes en algunos animales y el ser humano. En lo referente a las ceras, éstas pueden ser de origen animal (las que fabrican las abejas en sus panales) o de origen vegetal (carnauba, que la produ58 CONCEPTOS BÁSICOS ce la palma de cera). La característica de este tipo de lípidos es que no contienen ácidos grasos, mientras que los complejos sí. Entre éstos se encuentran los esteroides (colesterol, ácidos biliares, hormonas sexuales, etc.). La diferencia entre las grasas y los aceites es que las primeras son sólidas a temperatura ambiente. La mantequilla que utilizamos es un ejemplo de ésta, hace parte de nuestra dieta, nos proporciona energía y ayuda para la síntesis de otros compuestos, en nuestro organismo. Los aceites son líquidos a temperatura ambiente y son de origen vegetal, son extraídos de las semillas de las plantas de soya, girasol, palma de aceite, ajonjolí, etc. En cuanto a las ceras, encontramos la de las abejas, la lanolina (presente en la lana de las ovejas), la de carnauba (utilizada para fabricar la cera de los pisos) y la que hace parte de la cutícula de todas las plantas, que tiene la función de recubrir los tallos y las hojas, protegiéndolas de microorganismos y de pérdida de agua. Gónadas Ovarios Testículos Figura 10. Las gónadas producen las hormonas sexuales. Lípidos complejos Estos lípidos contienen ácidos grasos y están formados por largas cadenas, reciben este nombre porque forman complejos con otros tipos de moléculas; si se unen con azúcares formarán los glucolípidos (hacen parte del sistema nervioso y del cerebro); también se unen con el ácido fosfórico, conformando un fosfolípido (se encuentra en la membrana de las células, da estabilidad y fluidez a la misma). Los esfingolípidos se forman a partir de la unión de un ácido graso con un compuesto que contiene nitrógeno, se localiza en la parte externa de los nervios, cumplen la función de aislantes, facilitan la transmisión de impulsos nerviosos. 59 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 11. La membrana celular contiene lípidos complejos. Esteroides Son derivados de lípidos, presentan formas circulares, su importancia radica en que hacen parte del tejido nervioso, de la vitamina D y de las hormonas sexuales masculinas y femeninas. Un ejemplo de esteroides es el colesterol, que se encuentra en todas las células, especialmente en las del tejido nervioso y las del tejido graso de los animales. Función de los lípidos Los lípidos desempeñan tres funciones principales en los organismos: estructural, energética y de reserva. Función estructural. Los lípidos realizan esta función porque son componentes básicos de organelos como las membranas celulares, y de otros componentes de los organismos como la materia gris del cerebro. Figura 12. Los lípidos son componentes del cerebro. 60 CONCEPTOS BÁSICOS Función energética. Esta función se debe a que, en los organismos, los lípidos constituyen una fuente de energía, la cual utilizan cuando la cantidad de carbohidratos no es suficiente para la realización de sus funciones. Función de reserva. Cuando el organismo ingiere una cantidad de alimento mayor a los requerimientos normales, este exceso es convertido en material graso, se deposita en los tejidos adiposos y permanece almacenado ahí hasta que sea necesario utilizarlo. Figura 13. El tejido adiposo almacena los lípidos. Si los animales no utilizan los lípidos –que se consumen con los alimentos– éstos se acumulan en algunos órganos como el corazón, el estómago y el intestino, y al cabo del tiempo provocan obesidad la cual puede conducir a enfermedades graves como la arteriosclerosis (debida a la obstrucción de las arterias) o los infartos. Los lípidos también sirven como aislantes contra la pérdida excesiva de calor y como protección contra lesiones mecánicas. Los lípidos son importantes porque forman parte de los organismos y por ser una fuente de energía para ellos. Figura 14. Los lípidos actúan como aislantes, ello ocurre en las focas, por ejemplo, que habitan en lugares fríos. 61 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 2.4 LAS PROTEÍNAS Corresponde a la sesión de GA 2.16 (8.2) PURA PROTEÍNA En un tiempo, se pensó que las proteínas eran las sustancias más importantes del organismo, ya que las funciones básicas de las células dependen de estas moléculas. Por lo anterior, se les dio este nombre, que viene de la palabra griega proto, que significa “yo ocupo el primer lugar”. En la actualidad se sabe que todas las biomoléculas son fundamentales. El ser humano y los animales utilizan el nitrógeno orgánico únicamente a través del consumo de proteínas animales y vegetales, y es a partir de allí que se logra la síntesis de las propias proteínas, ácidos nucleicos y demás sustancias nitrogenadas requeridas por el organismo. Las proteínas son compuestos orgánicos constituidos por aminoácidos que se unen entre sí en largas cadenas, por medio de enlaces llamados enlaces peptídicos. Aminoácidos Los aminoácidos están formados principalmente de C, H, O, N y, en algunos casos, S, P y trazas de otros elementos. Aunque se reconoce la existencia de 200 aminoácidos en la naturaleza, 21 son esenciales para el ser humano y debe consumirlos a través de los alimentos. Se clasifican de acuerdo con sus propiedades o a particularidades en su estructura química, algunos se unen con la molécula agua (son hidrofílicos); otros no interaccionan con ésta (hidrofóbicos). Casi todos los aminoácidos tienen la característica de ser cristalinos y sólidos; la gran mayoría son solubles en agua y resisten altas temperaturas. Algunos de éstos los podemos apreciar en la tabla que se presenta a continuación: Clasificación de algunos aminoácidos Aminoácidos esenciales Aminoácidos no esenciales Ácido glutámico Alanina Asparagina Cisteína Glicina Glutamina Serina Tirosina Fenilalanina Histidina Soleucina Leucina Lisina Metionina Treonina Triptófano Valina Arginina Ornitina En los seres vivos, hay una gran variedad de proteínas, y se les considera abundantes, porque, en promedio, dos tercios del peso seco de la célula son proteína. Éstas presentan aspecto sólido y la mayoría son incoloras, con algunas excepciones: la hemoglobina de la sangre (de color rojo) y la clorofila de los vegetales (de color verde). Las proteínas, de acuerdo con su composición, se clasifican en simples y conjugadas. 62 CONCEPTOS BÁSICOS Proteínas simples Este tipo de proteínas son moléculas que al romperse sólo forman aminoácidos. Algunos ejemplos son la queratina, presente en la piel, plumas, uñas, pelo, etc; la albúmina, presente en la sangre, huevos de aves, leche, etc.; y el colágeno, presente en tendones, huesos, cartílagos, etc. Figura 15. La queratina es una proteína simple y está presente en las uñas, piel y pelo. Proteínas conjugadas Estas proteínas son moléculas que al romperse forman, además de aminoácidos, otros componentes. El núcleo celular, la yema de huevo y algunos componentes de la sangre cuentan con algunas proteínas de este tipo; otras pueden encontrarse en la leche y en la saliva. Estas biomoléculas también se clasifican, según su función, en: proteínas estructurales y contráctiles. Proteínas estructurales. Dos ejemplos de éstas son el colágeno que se halla en la piel, cartílago y huesos, y la queratina, que forma la piel, garras, cuernos y otros elementos protectores. Proteínas contráctiles. La actina y la miosina, que participan en la contracción muscular, pertenecen a este grupo. Figura 16. La actina y la miosina se encuentran en los músculos. 63 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Otras proteínas son hormonas, sustancias fundamentales para el normal desarrollo del organismo, como la insulina, que regula el contenido de azúcar en la sangre. Figura 17. La insulina es una proteína muy compleja. Los anticuerpos son proteínas que destruyen materiales extraños liberados dentro del cuerpo por algún germen. Se forman cuando alguno de éstos (virus, bacterias...) penetra en el organismo. La sangre contiene proteínas, entre ellas la hemoglobina, la cual es un pigmento rojo que confiere a la sangre su color característico y transporta el oxígeno de los pulmones hacia los tejidos, y el dióxido de carbono de las células a los pulmones. Las enzimas son un tipo de proteínas que aceleran o retardan las reacciones metabólicas en los organismos. Figura 18. Los anticuerpos son proteínas. Vista al microscopio electrónico de un anticuerpo. Las enzimas Éstas son proteínas que funcionan como agentes activadores de las reacciones metabólicas; en otras palabras, actúan sobre la velocidad de las reacciones en las células, por ello también se les denomina catalizadores biológicos. Las enzimas son sumamente específicas y eficientes, es decir, cada enzima actúa sólo sobre una sustancia determinada y genera la mayor cantidad de productos biológicamente posible, a velocidades de 100 a un millón de veces más rápido que en condiciones de laboratorio. 64 CONCEPTOS BÁSICOS Figura 19. La función de las enzimas es acelerar las reacciones metabólicas de la célula. En la actualidad, hay identificadas aproximadamente 2 000 enzimas. El nombre se les asigna dependiendo de la sustancia sobre la cual actúa. Todos los nombres terminan con el sufijo asa; por ejemplo, la enzima que acelera la transformación de la sacarosa es la sacarasa, y la que actúa sobre los almidones es la amilasa. Las enzimas son muy importantes para la vida, pues casi todas las funciones celulares dependen directa o indirectamente de ellas. 2.5 LAS VITAMINAS Corresponde a la sesión de GA 2.17 (9.2) INDISPENSABLES PARA VIVIR Si observamos a través de la historia, podremos darnos cuenta la relación directa entre la salud y la alimentación; por ejemplo, para la ceguera nocturna se recetaba hígado. Luego, a través de estudios, se logra establecer que muchos factores químicos son indispensables para el buen funcionamiento del organismo. Se aisló de una fracción de arroz un factor que curaba el beriberi, el cual presentaba propiedades químicas de las aminas, a lo cual se le denominó vitamina, que significa amina indispensable para la vida. Estas biomoléculas son indispensables para mantener el equilibrio en el metabolismo del cuerpo, ya que colaboran con las enzimas en distintas funciones orgánicas. Las vitaminas son necesarias para los seres vivos y sólo se requieren en cantidades extremadamente pequeñas. Este hecho sirve para distinguirlas de los aminoácidos esenciales, los ácidos grasos y los azúcares, los cuales se requieren en cantidades relativamente grandes. Las vitaminas se representan utilizando letras mayúsculas. Para considerar a una sustancia orgánica como vitamina, es importante especificar el ser vivo al cual se aplica; por ejemplo, la vitamina B1 es vital para la mayoría de los animales, pero no lo es para las plantas ni para muchos microorganismos. Por sus propiedades físicas, las vitaminas que necesita el cuerpo humano se dividen en dos grupos: liposolubles e hidrosolubles. Las enfermedades originadas por la carencia de vitaminas liposolubles son menos frecuentes que las causadas por la deficiencia de las vitaminas hidrosolubles. Estas últimas no se almacenan en el organismo, las cuales deben ser digeridas a diario. 65 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Vitaminas liposolubles Las vitaminas liposolubles reciben este nombre porque se disuelven en grasas. Las vitaminas A, D, E y K pertenecen a este grupo. Se almacenan en el tejido adiposo del hígado. La vitamina A es necesaria para el crecimiento del cuerpo y el buen funcionamiento del sentido de la vista, piel, encías y nervios. La vitamina D no se encuentra como tal en la naturaleza, se forma en la piel a partir de sustancias precursoras presentes en los tejidos y de la acción de la luz solar. Es necesaria para la absorción del calcio y fósforo por el intestino. La vitamina E tiene un importante papel en la protección de las membranas celulares, sobre todo las de los glóbulos rojos. Por su parte, la vitamina K es imprescindible para la coagulación de la sangre. VITAMINAS LIPOSOLUBLES FUENTES PRINCIPALES FUNCIONES EFECTOS DE SU CARENCIA Vitamina A Aceite de hígado de pescado, hígado, huevo y productos lácteos. Además, en la zanahoria, la calabaza y la espinaca. Mecanismo fotorreceptor de la retina, integridad de los epitelios, estabilidad de los lisosomas. Inhibe el crecimiento. Ceguera nocturna, xeroftalmía y queratomalacia. Vitamina D Aceite de hígado de pescado, mantequilla, huevo, hígado, sardinas, radiación ultravioleta. Absorción de calcio y fósforo, a través de la pared intestinal. Interviene en la calcificación de huesos. Raquitismo, osteomalacia. Vitamina E Aceites vegetales, germen de trigo, hortalizas, huevo, margarina, legumbres, levadura de cerveza. Antioxidante intracelular, estabilidad de las membranas biológicas. Hemólisis de los eritrocitos. Distrofia muscular y muerte fetal en los animales. Vitamina K Hortalizas, hígado de cerdo, aceites vegetales, flora intestinal después del período neonatal. Formación de protrombina, coagulación normal de la sangre. Hemorragia por deficiencia en protrombina. 66 CONCEPTOS BÁSICOS Vitaminas hidrosolubles Las vitaminas hidrosolubles se disuelven en agua; sus representantes son las vitaminas del complejo B y el ácido ascórbico o vitamina C. El complejo B se denomina así porque varias vitaminas se encuentran juntas en la misma fuente alimenticia (por ejemplo, el hígado). Este complejo lo forman alrededor de doce vitaminas; cada una desempeña una importante función biológica. De este grupo vitamínico, podemos destacar a las vitaminas B1 o tiamina, B2 o riboflavina, B6 o piridoxina y B12 o cobalamina. Esta última sirve para el buen funcionamiento de las células en general, especialmente las que forman los nervios y la sangre; sin ella, el organismo no aprovecha en su totalidad la energía de los alimentos. La vitamina C participa en el crecimiento y desarrollo del cuerpo y mantiene el buen estado de los tejidos corporales, sobre todo los que forman el aparato respiratorio. VITAMINAS HIDROSOLUBLES FUENTES PRINCIPALES FUNCIONES EFECTOS DE SU CARENCIA Vitamina C (Ácido ascórbico) Frutas del grupo de los cítricos (limón, naranja, toronja), tomates, papas, col, pimientos verdes. Tejido osteoide, formación de colágeno, función vascular, respiración tisular y curación de heridas. Estrés, cáncer y problemas nerviosos. Escorbuto, hemorragias, dientes flojos (gingivitis). Vitamina B1 (Tiamina) Levadura de cerveza, cereales integrales, carne, papas, legumbres, carne de res. Funcionamiento del miocardio, sistema nervioso central y periférico. Interviene en las reacciones del metabolismo de los carbohidratos. Pérdida de la memoria, dificultad para hablar y realizar ciertos movimientos. En caso extremo, produce beriberi infantil y de adulto. Vitamina B2 (Riboflavina) Leche, queso, huevo, hígado y cereales. Integridad de membranas mucosas Dermatosis sebáceas, vascularización corneal. Vitamina B3 (Niacina) Hígado, levadura, carne y leguminosas. Interviene en el metabolismo de proteínas, carbohidratos y lípidos. Pelagra, enfermedad asociada a la alimentación por dietas feculentas y pobres. Vitamina B6 (Piridoxina) Hígado, germen de trigo, levadura, cereales, vísceras, pescado y legumbres. Metabolismo de aminoácidos y ácidos grasos. Anemia, convulsiones en la infancia y neuropatías. Vitamina B12 (Cianocobolamina) Hígado, huevos, leche, productos lácteos, carnes en general. Síntesis ADN neural, maduración de los eritrocitos. Anemia perniciosa, síndromes psiquiátricos. 67 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Es importante indicar que cuando el cuerpo humano está sujeto a una dieta deficiente en vitaminas A, D y K, por un tiempo prolongado, pueden originarse diversas enfermedades; por ejemplo, ceguera nocturna, raquitismo e irregularidades en la coagulación de la sangre. A las enfermedades derivadas de la carencia de una o varias vitaminas, se les denomina, en general, avitaminosis. Las avitaminosis más frecuentes son las causadas por la deficiencia de vitaminas B1, B2, B6 y C; por ejemplo: el beriberi, dermatitis, anemia, alteraciones nerviosas y escorbuto. Durante la manipulación de los alimentos, se pierden grandes cantidades de agua y vitaminas hidrosolubles. La vitamina C y la niacina o B3 se encuentran en mayor proporción en la cáscara o en el tejido localizado debajo de la epidermis de los frutos. Al pelar los frutos, se pierde gran cantidad de contenido vitamínico, además cuando los cultivos son fumigados con pesticidas, éstos quedan adheridos a las cáscaras y no salen con un simple lavado o con uso de jabón. Figura 20. Cristales de vitamina A. Minerales Los minerales son considerados nutrientes esenciales, ya que el organismo no tiene la capacidad de sintetizarlos. Entre sus principales funciones están: intervienen en las reacciones enzimáticas, controlan la presión osmótica de los fluidos celulares y el pH; hacen parte estructural de muchas macromoléculas. Algunos de los minerales pueden llegar a ser tóxicos cuando se consumen en grandes cantidades; por ejemplo, el exceso de hierro causa hemocromatosis (enfermedad congénita, donde la concentración de hierro aumenta, se depositan en diversos tejidos y órganos, provoca cirrosis hepática y diabetes); el cobre produce daños en el cerebro; el aluminio produce envenenamiento. También en los alimentos se pueden encontrar metales pesados, por las siguientes causas: uso de plaguicidas que contienen arsénico; uso de fertilizantes que contienen cadmio, plomo y mercurio; aditivos en la preparación de alimentos como el colorante amarillo número 5 ó tartracina, el cual es considerado un potente cancerígeno. Finalmente, algunos metales que se desprenden de los equipos utilizados en la preparación de alimentos, especialmente el alumnio. A continuación, se presenta una tabla con los principales minerales y su función en el organismo. 68 CONCEPTOS BÁSICOS MINERALES Biomineral Función Grupo 1: minerales requeridos en concentraciones altas. Calcio Interviene en los movimientos musculares; transmisión de impulsos nerviosos y cuagulación de la sangre. Cloro Uno de los principales componentes del líquido extracelular. Fósforo Formación de huesos; participación en reacciones metabólicas y formación de ATP (molécula de energía: Adenosín Trifosfato). Magnesio Formación de huesos y de los dientes, hace parte del líquido intracelular. Potasio Uno de los principales elementos del líquido intracelular. Además, interviene en la síntesis de proteínas. Sodio Uno de los principales componentes del líquido extracelular, participa en el control de la presión osmótica e interviene en la transmisión de impulsos nerviosos. Grupo 2: minerales que se requieren en cantidades de 1 mg o menos. Cobalto Es un elemento que conforma la vitamina B12, es fundamental para la formación de glóbulos rojos. Cobre Interviene en la formación de huesos y hace parte del tejido cerebral. Hierro Participa en la formación de hemoglobina y en el sistema inmunológico. Manganeso Formación de urea y hace parte del metabolismo de proteínas. Yodo Participa en la formación de tiroxina (hormona tiroides). Zinc Ayuda a almacenar la hormona insulina. Grupo 3: minerales de los que no se ha logrado establecer su requerimiento o verdadera necesidad para el organismo. Cromo Participa en el metabolismo de la glucosa. Flúor Está asociado con la salud dental. Selenio Interviene en el metabolismo de las grasas. 69 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los alimentos ingeridos deben proporcionar la energía necesaria que utilizan las personas a diario. Una dieta balanceada debe contener todos los nutrientes: carbohidratos y lípidos, como elementos que aportan energía; las proteínas, como elementos de construcción del organismo; y las vitaminas y minerales, como los elementos que regulan los procesos químicos. 2.6 LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Corresponde a la sesión de GA 2.18 (10.2) ALMACÉN DE INFORMACIÓN Los ácidos nucleicos son los portadores de la información genética y se encuentran en todas las células. Están constituidos por subunidades esenciales llamadas nucleótidos, Nucleótido de adenina los cuales a su vez están formados por un grupo fosfato, una pentosa (azúcar simple con cinco Nucleótido de guanina carbonos) y una base nitrogenada. Nucleótido de citosina Los ácidos nucleicos también se denominan polinucleótidos debido a que contienen largas cadenas de nucleótidos, los cuales se repiten a intervalos regulares. Nucleótido de timina Desoxirribosa Fosfato Figura 21. El azúcar pentosa, los grupos fosfatos y las bases constituyen los nucleótidos, subunidades esenciales de los ácidos nucleicos. Los azúcares del ácido nucleico están formados por dos clases de pentosas, si el azúcar es ribosa, el ácido se llama ribonucleico H H o ARN; y si es desoxirribosa, el ácido se llama desoxirribonucleico o ADN. H O C H O H H O C H O H O O C H H H C C C C H H O-H O-H Ribosa H H C C Las bases de los ácidos nucleicos son de dos tipos: las pirimidinas y las purinas. Las pirimidinas son la citosina, uracilo y timina; mientras que las purinas son la adenina y la guanina. C H O-H H Desoxirribosa Figura 22. La ribosa es el azúcar del ARN y la desoxirribosa corresponde al ADN. Se ha demostrado que el orden y la disposición de las bases del ADN y del ARN constituyen el medio por el cual la información es codificada y transmitida de padres a hijos. ADN (Ácido desoxirrinonucleico) El ADN, presente en el núcleo de las células eucarióticas y en el citoplasma de las procarióticas, está conformado por cuatro clases de bases, dos purinas y dos pirimidinas. 70 CONCEPTOS BÁSICOS PURINAS NH2 O C N N C C N HN C CH CH HC C C N N H 2N C N N H H ADENINA (A) GUANINA (G) PIRIMIDINAS O NH2 C C HN O C C CH3 O CH N N CH C CH N H H TIMINA (T) CITOSINA (C) Figura 23. Tipos de bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Los investigadores norteamericanos Watson y Crick propusieron un modelo de ADN con estructura tridimensional. Ellos representaron a la molécula del ADN formada por dos largas cadenas adyacentes de polinucleótidos alineadas y enrrolladas cerca una de la otra, para formar una doble hélice alrededor de una barra central hipotética, muy parecida al pasamanos o barandal de una escalera de caracol. Figura 24. Molécula del ADN. 71 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ARN (Ácido ribonucleico) El ARN se encuentra en el citoplasma de las células, y en menor cantidad en el núcleo. En el protoplasma, se reconocen tres tipos de ARN: el ribosómico, el de transferencia y el mensajero. La molécula del ARN es una estructura constituida por una sola cadena, a diferencia de la molécula de ADN que lo está por dos cadenas, y que en lugar de la base timina contiene la base uracilo. Ésta funciona como el mensajero del ADN, es decir, representa el medio a través del cual el ADN regula el metabolismo citoplasmático y dirige la formación de nuevas proteínas. Por las características que se han enumerado, las biomoléculas del ADN y del ARN son consideradas las responsables de almacenar y transmitir la información genética. 2.7 EL ADN, EL ARN Y LOS VIRUS Corresponde a la sesión de GA 2.19 (11.2) TRANSMISIONES E INVASIONES Función del ADN Los ácidos nucleicos son los depósitos de la información genética; en general la información del ADN se transcribe en los ARN y éstos, a su vez, participan en la síntesis de proteínas. En el procesamiento de la información genética, se definen tres etapas principales: La primera etapa es la replicación, en ella se copia toda la molécula de ADN para formar nuevas moléculas, cuyas secuencias nucleo-tídicas son idénticas a las del ADN inicial. Figura 25. La replicación del ADN. 72 CONCEPTOS BÁSICOS La segunda etapa es la transcripción, proceso mediante el cual se transcribe parte del mensaje genético del ADN en forma de ARN. El ARN es sintetizado dentro del núcleo a partir de una sola de las cadenas de ADN como molde, así se produce una copia fiel de la información contenida en el ADN. ADN a. Síntesis del ARN mensajero Partes del ARN (nucleótidos) Enzima que interviene en la síntesis del ARN b. Aminoácidos libres ARN de transferencia recibe un aminoácido Ribosoma Enzima de activación ARN mensajero c. ARN mensajero sobre el ribosoma Ribosoma ARN de transferencia con aminoácido adherido ARN de transferencia ARN de transferencia liberado Cadena de proteínas en crecimiento Enzima de transferencia unida al aminoácido a la cadena de proteína. Figura 26. Formación del ARN mensajero. 73 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL La tercera etapa es la traducción, en ésta el mensajero genético, que transportó el ARN, es descifrado en los ribosomas para la formación de las proteínas. Durante el procesamiento de la información, intervienen tres clases principales de ARN: ribosómico, mensajero y de transferencia. El ARN ribosómico es componente básico de los ribosomas. El ARN mensajero es la molécula complementaria de un segmento de una de las cadenas de ADN, que transporta el mensaje genético desde el núcleo hasta los ribosomas. Dicho mensaje va organizado en tripletas, es decir, en secuencias de tres bases que corresponden a un aminoácido determinado. El ARN de transferencia se une con un aminoácido específico, lo transporta hasta los ribosomas y los cede a éstos cuando la tripleta de bases del ARN mensajero corresponde a la clave del aminoácido transportado. Este último paso, se repetirá hasta que el ARN mensajero haya sido completamente traducido y la proteína esté formada. El ARN y el ADN se replican durante la reproducción de los organismos y, en muchas ocasiones, puede ocurrir algún error o transformación de la información, debido a múltiples factores, y generar cambios físicos y funcionales en la descendencia. El proceso en su conjunto se denomina evolución biológica, por tratarse de seres vivos; esta evolución ha originado la gran diversidad de formas y funciones conocidas entre los seres vivos. Los virus, un caso especial Los virus son partículas de proteínas muy pequeñas que se pueden cristalizar como la sal. Sus formas son muy variadas y se activan cuando tienen contacto con algunas células, a las cuales invaden y dañan en mayor o menor grado. Figura 27. Ejemplos de virus. 74 CONCEPTOS BÁSICOS Los virus están formados por ácido nucleico (ADN o ARN), el cual lleva la información genética, y por una cubierta llamada cápside, constituida por moléculas de proteína. Sin embargo, los virus carecen de una maquinaria propia para su síntesis y utilizan, para ello, a las células. En el interior de las células, los virus llevan a cabo la replicación, la cual es comparable con la reproducción en los seres vivos. Del fenómeno de replicación se destaca: - La fijación de un virus en la membrana de una célula, con la inyección del ácido nucleico. La producción de ácidos nucleicos diferentes a los usuales en la célula dañada, los cuales son capaces de controlar a la célula invadida. La construcción de la parte restante de los virus en la célula dañada. Finalmente, la célula parece estallar, deja libres una gran cantidad de nuevos virus, cuya propagación ocurrirá de la misma manera en otras células. ARN envoltura cubierta retrotranscriptasa centro 1. El virus se adhiere al receptor de la membrana de la célula. Su centro se desintegra y el ARN viral entra al citoplasma citoplasma 1 5 núcleo 3 2 ADN ARN 4 5. Las proteínas virales y el ARN se ensamblan y los virus salen por gemación de la membrana celular ARNm 2. La retrotranscriptasa produce ADN, utilizando el ARN viral como modelo 3. El ADN entra al núcleo y se incorpora a los cromosomas del hospedero. Se transcribe en ARNm y más ARN viral, que se mueven hacia el citoplasma 4. Las proteínas virales se sintetizan usando ARNm Figura 28. Proceso de replicación de los virus. La clasificación de los virus puede hacerse considerando los organismos a los que afectan: fitófagos si atacan a las plantas, zoófagos si atacan a los animales, y bacteriófagos si los virus afectan a las bacterias. Entre las enfermedades que producen los virus, en el ser humano, se encuentran: rabia, poliomielitis, gripe, viruela, sarampión, hepatitis epidémica y el sida. El síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida) lo produce el virus conocido como VIH. Hasta la fecha, esta enfermedad es mortal, a pesar de los esfuerzos que se hacen por descubrir un método o medicamento para su tratamiento y curación. Figura 29. Representación del virus del sida. 75 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 2.8 ORGANIZACIÓN DE LAS BIOMOLÉCULAS Corresponde a la sesión de GA 2.21 (12.2) LOS PRIMEROS NIVELES Como se observó a lo largo del capítulo, por lo general, todos los componentes celulares se forman principalmente de cuatro elementos fundamentales: el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N); sin embargo, también participan otros elementos como fósforo (P), azufre (S), sodio (Na) y potasio (K). La importancia de éstos estriba en que son la base de la estructura de las biomoléculas, compuestos que a su vez participan en la conformación y funcionamiento de los seres vivos. Los carbohidratos son compuestos formados por C, H, O y representan la principal fuente de energía de las células; en los vegetales sirven para formar paredes celulares, y como elementos de sostén en tejidos animales. Algunos ejemplos de estos compuestos son la glucosa, galactosa, glucógeno, almidón, etc. Los lípidos forman un grupo de compuestos caracterizados por su insolubilidad en agua y su solubilidad en solventes orgánicos (éter, alcohol, acetona, etc.). Están constituidos por C, H, O y P, y entre sus funciones está la de ser proteínas ácidos azúcares reserva de energía, ya que grasas nucleicos producen más de dos veces la energía que liberan los carbohidratos y las proteínas. Además, tienen la polinucleótidos característica de que regualmidón lan la temperatura corpocelulosa ral. polisacáridos nucleótidos lípidos azúcares aminoácidos Figura 30. Niveles de organización de las biomoléculas. ácido graso elementos 76 CONCEPTOS BÁSICOS bases Las proteínas están formadas por largas cadenas de aminoácidos, éstos, a su vez, están formados por C, H, O y N. Algunas de sus funciones son construir y reparar los tejidos corporales, formar la estructura del protoplasma y regular el funcionamiento celular mediante la acción de las enzimas. En general, todas las funciones básicas dependen de proteínas específicas; por tal motivo, puede decirse que son indispensables para la vida. Las vitaminas son otro grupo de sustancias indispensables para el desarrollo y funcionamiento de los organismos, ya que colaboran con las enzimas en las distintas funciones orgánicas en que éstas participan. La vitamina A es necesaria para el crecimiento corporal y el buen funcionamiento de la vista, piel, encías y nervios; la vitamina E tiene una importante función en la protección de las membranas celulares; la K es imprescindible para la coagulación de la sangre. El complejo B, formado por las vitaminas B1, B2, B6 y B12, contribuye al funcionamiento de las células en general, especialmente las que forman los nervios y sangre. Gracias a este complejo vitamínico, el organismo aprovecha en su totalidad la energía de los alimentos. Los ácidos nucleicos son macromoléculas de suma importancia biológica cuya estructura está formada principalmente por C, H, O, N, P y S. Todos los organismos vivos los contienen bajo la forma de ADN y ARN; sin embargo, existen unas partículas constituidas de proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, llamadas virus, que sólo contiene uno de los dos. Más simple Sistemas Inertes Sistemas vivientes Máxima complejidad Unidad Ecosistema Comunidad Especie Composición Comunidad y ambiente inanimado. Interacción de varias o muchas especies. Una o más poblaciones genéticamente semejantes. Población Varios o muchos individuos genéticamente semejantes. Individuo Reunión de una o muchas células. Célula Material vivo organizado, bajo control regulador del material genético; mezcla coloidal compleja de moléculas de carbohidratos, lípidos, proteínas y otras sustancias presentes en el agua. Material subcelular organizado desde una simple molécula proteica de gran tamaño hasta varias moléculas proteicas que contienen DNA o RNA: los virus. Molécula De dos a muchos átomos. Átomo De dos a muchas partículas fundamentales (protones, neutrones, electrones) mantenidas juntas por la energía. Figura 31. Niveles de organización en los seres vivos. 77 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL El ADN constituye el principal depósito de la información genética de los organismos; dicha información se transmite a las moléculas de ARN, para que sea utilizada durante la síntesis de proteínas. El ADN se halla en el núcleo como parte de los cromosomas; el ARN se localiza tanto en el núcleo, donde es sintetizado, como en el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Como puede observarse, la materia está organizada en ciertos niveles que van de lo simple a lo complejo, es así como forma, por ejemplo, en los seres vivos y a partir de los átomos (los elementos), moléculas y compuestos (biomoléculas), organelos, células, tejidos, órganos, aparatos y sistemas, individuos, poblaciones, comunidades, biomas, la biósfera y mucho más. A continuación, como resumen del capítulo, presentamos un mapa conceptual sobre las principales biomoléculas: 78 CONCEPTOS BÁSICOS 79 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL RIBOSA GLUCOSA GALACTOSA MALTOSA SACAROSA LACTOSA ALMIDÓN GLUCÓGENO CELULOSA ejemplo ejemplo formados por POLISACÁRIDOS se clasifican en MUCHOS MONOSACÁRIDOS formados por DISACÁRIDOS ejemplo VARIOS ÁTOMOS DE CARBONO contienen OLIGOSACÁRIDOS DOS MONOSACÁRIDOS POCOS ÁTOMOS DE CARBONO contienen MONOSACÁRIDOS LÍPIDOS se clasifican en ENERGÍA Y CARBONO son fuente de CARBOHIDRATOS CARBOHIDRATOS ÁCIDOS NUCLEICOS QUERATINA ALBUMINA ejemplo AMINOÁCIDOS cuando forman CONJUGADAS YEMA DE HUEVO, SANGRE, NÚCLEO CELULAR se encuentran en AMINOÁCIDOS Y OTROS COMPLEMENTOS cuando forman sólo SIMPLES se dividen en CARBONO, HIDRÓGENO, OXÍGENO, NITRÓGENO, AZUFRE Y FÓSFORO formados por AMINOÁCIDOS constituidos por COMPUESTOS ORGÁNICOS son PROTEÍNAS se clasifican en: BIOMOLÉCULAS PROTEÍNAS se clasifican en BIOMOLÉCULAS VIRUS se encuentran principalmente en NÚCLEO (CROMOSOMAS) ADN en DESOXIRRIBOSA se encuentran en NÚCLEO CELULAR EUCARIÓTICAS Y CITOPLASMA CÉLULAS PROCARIÓTICAS ARN en el RIBOSA que puede ser AZÚCAR en el cual hay NUCLEÓTIDOS están formados por TODAS LAS CÉLULAS se encuentran en PORTADORES DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA son los ÁCIDOS NUCLEICOS VITAMINAS CONCEPTOS BÁSICOS 80 GLUCOLÍPIDOS, FOSFOLÍPIDOS CERAS ejemplo COMPLEJOS SEXUALES HORMONAS COLESTEROL, ejemplo ESTEROIDES se clasifica en OXÍGENO COMPLEJO B Y VITAMINA C A, D, E, Y K ejemplo AGUA se disuelven en HIDROSOLUBLES VITAMINAS ejemplo GRASAS se disuelven en LIPOSOLUBLES se clasifican en EQUILIBRIO aportan al VITAMINAS se clasifican en DEL METABOLISMO GRASAS Y ejemplo SIMPLES ÁCIDOS NUCLEICOS BIOMOLÉCULAS PROTEÍNAS CARBONO, LÍPIDOS HIDRÓGENO Y formados por LÍPIDOS CARBOHIDRATOS se clasifican en BIOMOLÉCULAS PLANTAS en el REPLICACIÓN INVADIÉNDOLA Y ANIMALES BACTERIAS si afectan BACTERIÓFAGOS si afectan ZOÓFAGOS hay virus DESTRUYÉNDOLA si afectan FITÓFAGOS llevan a cabo un están formados por PROCESO DE ADN ARN O VIRUS VIRUS INTERIOR DE LA CÉLULA, VITAMINAS 2.9 HISTORIA DE LA CIENCIA Corresponde a la sesión de GA 2.20 EL TRABAJO DE ALGUNOS INVESTIGADORES ACERCA DE LAS VITAMINAS Egipcios e Hipócrates NACIMIENTO DE CRISTO Algunos sucesos relacionados con el estudio de las vitaminas los conoceremos a través de viajes en la “Nave del conocimiento”. El primer viaje es un recorrido a través del tiempo en diferentes lugares del mundo, relacionando los investigadores y el trabajo sobre las vitaminas. Como es una combinación entre el espacio y el tiempo, la nave se encuentra ubicada en la resultante de las dos coordenadas. ANTES DE CRISTO (A. DE C.) Kramer, Takaki. Eljkman, Grijns, Hopkins y Funk. DESPUÉS DE CRISTO (D. DE C.) Aunque el estudio científico de las vitaminas se puede catalogar como reciente, su necesidad en el organismo había sido advertida desde hace cientos de años. Desde tiempos remotos, en los registros de la historia humana, han existido indicios de la existencia de las vitaminas. Ya los antiguos egipcios, e Hipócrates en Grecia (siglo IV a. de C.), conocían los efectos de una dieta a base de hígado para remediar la ceguera nocturna (ahora se sabe que es por deficiencia de vitamina A). Ahora la nave se ubica en la coordenada B, lo cual nos indica que viaja a través del espacio, ubicando los países de dónde son los científicos que explicaron los primeros efectos de las vitaminas. El primer mapa nos muestra el continente donde está ubicada Grecia y el siguiente mapa, el continente donde está ubicado Egipto. 81 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL La presencia de escorbuto entre los cruzados, en el siglo XIII, y la realización de su cura en 1520, por el médico australiano Kramer, administrando frutos cítricos, fue seguido por la introducción de jugos de lima y limón en la marina inglesa para prevenir esta enfermedad. 82 CONCEPTOS BÁSICOS Ahora, la nave se ubica en la coordenada A, viaja a través del tiempo, describiendo el estudio, por parte de los científicos, de algunas enfermedades relacionadas con la deficiencia de vitaminas. Takaki 1880 Beriberi Eijkman 1896 Beriberi Grijns 1901 Beriberi Hopkins 1906 Escorbuto y raquitismo Funk 1912 Beriberi, escorbuto y pelagra DÉCADA DE LOS AÑOS 90 DÉCADA DE LOS AÑOS 80 El almirante japonés Takaki en 1880 obtuvo una disminución notable de la enfermedad nerviosa llamada beriberi, entre los marineros de navíos japoneses, aumentando el contenido de vegetales, carne y leche en la dieta. El primer trabajo experimental bien definido sobre las relaciones de las vitaminas con las enfermedades, fue realizado en 1896, en las Indias Holandesas, por el médico militar llamado Eijkman. Observó que la dieta con arroz descortezado o pulido (arroz cuyos granos han sido desprovistos de su cutícula superior o epicarpio) causaba una enfermedad nerviosa paralizante en los pollos, semejante al beriberi en el hombre; mientras que el arroz sin pulir lo recuperaba. Pero no fue hasta cinco años después que otro investigador, Grijns, llegó a la conclusión de que el beriberi era debido a la insuficiencia de un nutriente esencial desconocido que se encontraba en los granos sin pulir. El significado de este resultado escapó a la atención de la mayoría de los especialistas en nutrición, hasta que el brillante bioquímico británico Hopkins y más tarde Funk entraron en escena. En 1906, el primero hizo hincapié en que los animales no podían vivir sujetos a una dieta de proteínas, grasas y carbohidratos únicamente y sugirió que las deficiencias de otros factores dietéticos naturales, aún desconocidos, eran los responsables de enfermedades como el escorbuto y el raquitismo. 83 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL En 1912, Funk introdujo el término “vitamina” para designar así a aquellos nutrientes orgánicos naturales, y propuso que enfermedades como beriberi, escorbuto, pelagra y posiblemente raquitismo eran causadas por la deficiencia o carencia en la dieta de “vitaminas”. Se había iniciado la era de las vitaminas. Se empezó con la nutrición animal, y poco después se relacionó con lo que al principio parecían ser campos y fenómenos desconectados con las vitaminas tales como nutrición microbiana, inhibición por competencia, enzimas, coenzimas, etc. En los años siguientes, se identificaron y sintetizaron químicamente muchas vitaminas en la nutrición animal, así como se aclaró su manera de actuar en lo referente a su papel de componentes fundamentales de las coenzimas. Sin embargo, existen aún pocas vitaminas que se rehusan a revelar el secreto de su función biológica. La demostración de los efectos fisiológicos de las vitaminas progresó muy rápidamente. Pero el conocimiento químico avanzó con lentitud. A mediados de 1928, ni uno solo de los factores vitamínicos había podido ser definido en forma exacta, desde el punto de vista de su estructura. Pero ya hacia 1950, se había logrado; además de conocerse otras vitaminas nuevas, la mayor parte de las vitaminas se habían podido aislar y caracterizar químicamente. 84 CONCEPTOS BÁSICOS Capítulo 3 GENÉTICA: LA CIENCIA DE LA HERENCIA Seguramente has observado que, entre “padres e hijos” de una misma especie, hay características similares que se conservan a través de las generaciones. Ésta es una de las propiedades que presentan los organismos y radica en la transmisión de sus rasgos genéticos a sus descendientes. Este fenómeno se denomina herencia biológica. En el presente núcleo, se aborda la ciencia que estudia la herencia biológica y los mecanismos que implica, cómo ocurre este proceso generación tras generación, y de qué modo estos mecanismos, junto con otros, han permitido la adaptación y evolución de la gran diversidad de formas vivientes que habitan el planeta. Los organismos vivientes no podrían sobrevivir si no tuvieran un grupo de sustancias químicas llamadas ácidos nucleicos. ROBERT WARNER CHAMBERS Y ALMA SMITH PAYNE 85 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.1 LA GENÉTICA Corresponde a la sesión de GA 3.24 (92.1) DE TAL PALO TAL ASTILLA La rama de la Biología que estudia el mecanismo de transmisión de los genes y su comportamiento, a lo largo de las generaciones, se llama genética. Antecedentes Desde los siglos XVIII y XIX, se trató de investigar, prácticamente sin resultados, cómo funciona la herencia biológica a lo largo de las generaciones. Este fenómeno empezó a clarificarse gracias a los experimentos de Gregorio Mendel (1822-1884), quien publicó sus resultados en 1865. Las investigaciones de Gregorio Mendel Mendel usó en sus investigaciones sobre la herencia plantas de arveja o guisante, Pisum sativum, porque presentaban varias ventajas: los guisantes son fáciles de cultivar y existen en el comercio muchas variedades. Otra ventaja de la planta de guisante estriba en que resulta relativamente fácil realizar polinizaciones controladas. Sus flores tienen partes masculinas y femeninas, las anteras (masculinas, productoras de polen, pueden eliminarse para evitar la autofecundación); cubriendo las flores con bolsas pequeñas, se obtiene protección adicional contra insectos polinizadores. Lo anterior le permitió estudiar varias generaciones de la planta en poco tiempo. Su investigación la realizó estudiando siete pares de características. Figura 1. Gregorio Mendel usó plantas de guisante (arveja) por sus características contrastantes. • • • • • • • Longitud del tallo (alto, bajo) Forma de la vaina (inflada o rugosa) Color de la vaina (verde o amarilla) Forma de la semilla (lisa o rugosa) Color de la semilla (amarilla o verde) Ubicación de la flor (axial o terminal) Color de la flor (roja o blanca) Mendel usó variedades de plantas llamadas puras, es decir, plantas que presentaban las mismas características a través de varias generaciones. A las plantas puras que usó para obtener de ellas descendientes, las llamó generaciones progenitoras (pueden representarse con una letra “P”), y a sus descendientes, genera- CONCEPTOS BÁSICOS 86 ciones filiales (pueden representarse con “F1” la primera generación, y con “F2” la segunda). En sus investigaciones, Mendel observó que algunas de las características se presentaban con mayor frecuencia en las generaciones filiales. X Planta alta Planta baja A las características que se presentaban sobre otras o con mayor frecuencia, Mendel las llamó características dominantes. Encontró, por ejemplo, que en las plantas de guisante el color verde de la semilla domina sobre el color amarillo. Mendel llamó características recesivas a las características que se presentaban con menor frecuencia. Por ejemplo, en las plantas de guisante, el color blanco de las flores es recesivo en relación con el color rojo. Alta Alta Alta Caracteres de los antecesores Figura 2. Experimento de Mendel con plantas de guisante. Representación de las características del tallo. Baja Primera generación Segunda generación Proporción Semilla amarilla con semilla verde Todas amarillas 6 022 amarillas y 2 001 verdes 3.01: 1 Semilla redonda con semilla rugosa Todas redondas 5 474 redondas y 1 850 rugosas 2.96:1 Granos verdes con granos amarillos Todos verdes 428 verdes y 152 amarillos 2.82:1 Tallos largos con tallos cortos Todos largos 787 largos y 277 cortos 2.84:1 Flores axiales con flores terminales Todas axiales 651 axiales y 207 terminales 3.14:1 Granos abultados con granos reducidos Todos abultados 882 abultados y 299 reducidos 2.95:1 Flores rojas con flores blancas Todas rojas 705 rojas y 224 blancas 3.15:1 Figura 3. Resultados obtenidos por Mendel en sus experimentos con las plantas de guisante. 87 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los resultados de las investigaciones de Gregorio Mendel sentaron las bases de la genética y de sus aplicaciones en distintos campos del conocimiento. La agricultura, la ganadería y la medicina, son algunos de los campos de acción de la genética. La herencia biológica La herencia biológica es característica de los seres vivos y consiste en la transmisión de sus rasgos a sus descendientes. Actualmente, se sabe que la base de la herencia biológica está en los cromosomas. Los cromosomas están formados por pequeños fragmentos de ADN que reciben el nombre de genes; éstos guardan las características heredadas de los progenitores. Figura 4. En el interior de las células, se encuentran los ácidos nucleicos. 3.2 LAS LEYES DE MENDEL Corresponde a las sesiones de GA 3.24 (92.1) DE TAL PALO TAL ASTILLA Y 3.25 (93.1) HIJO DE TIGRE... SALE PINTADO El primer gran éxito que obtuvo este científico, en su lucha por comprender los problemas de la herencia biológica, ocurrió en 1866; entonces Gregorio Mendel descubrió, realizando una serie de experimentos con plantas de guisante (arveja), las leyes que actualmente llevan su nombre. En dichos experimentos, Mendel cruzó algunas plantas de líneas puras que sólo diferían entre sí en un carácter, por ejemplo: cruzó plantas altas con bajas y observó que en la primera generación filial o “F1” todas las plantas fueron altas; al carácter de talla alta lo llamó dominante, y lo representó con letra mayúscula; en tanto que al carácter que no apareció lo llamó recesivo, y lo representó con letra minúscula. CONCEPTOS BÁSICOS 88 Mendel también descubrió que el carácter recesivo no desaparecía por completo, sino que permanecía oculto y que cuando se cruzaban dos plantas de la generación “F1” aparecía nuevamente en la progenie resultante (generación “F2”), en una proporción bien definida: 75% de los individuos presentaban la característica dominante y 25%, la recesiva. En el caso de las plantas de guisante altas y bajas, dicha proporción se manifiesta como 75% de plantas altas y 25% de bajas. Frente a los resultados de la generación “F2”, Mendel razonó así: • • • • • • • La planta alta debe tener dos factores (genes) para la altura, pero sólo uno pasa al grano de polen. La planta baja debe tener también dos, pero sólo uno pasa al óvulo. Por lo tanto, si únicamente uno de los factores está en el polen y otro en el óvulo, la unión de estas dos células reproductoras producirá semillas en las que se reúnen dos factores distintos, uno de la planta alta y otro de la baja. El factor dominante puede representarse con la letra “T”, de tamaño, en donde la mayúscula indica que es dominante. El factor recesivo puede representarse con la letra “t”, en donde la minúscula indica que es recesivo. Puesto que el gen “T” es dominante sobre el “t”, cuando estas semillas germinen darán sólo plantas altas. Pero en la generación “F2” los genes que se reunieron se segregan, es decir, se separan, por eso vuelven a aparecer plantas bajas. Ley de la segregación o primera ley de Mendel Con base en los datos anteriores, Mendel formuló su primera ley –llamada ley de segregación–, la cual traducida al lenguaje moderno diría: cada carácter o característica particular de un organismo está determinado por un par de unidades o genes, los cuales durante la formación de los gametos se separan o segregan y pasan a gametos distintos. De esta forma, cada gameto tiene solamente un gen para cada característica. Plantas altas Padres T Plantas bajas T X t t Gametos T T t t Primera generación filial (F1) Tt Tt Tt Tt 100% plantas altas 89 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Cruce primera generación T Gametos t T Segunda generación filial (F2) TT X T t t T t Tt Tt tt 75% plantas altas 25% plantas bajas Estas representaciones de cruces se pueden resumir en los siguientes cuadros (cuadros de Punnett): Primer cruce (TT x tt) Segundo cruce (Tt x Tt) Gametos T T t Tt Tt Gametos T t T TT Tt t Tt tt F1 t Tt F2 Tt 100% plantas altas 75% plantas altas 25% plantas bajas Figura 5. Representación de los experimentos de Mendel al cruzar plantas altas con plantas bajas. En la generación “F1” el carácter dominante “T” se reúne con el recesivo “t”, pero en la generación “F2” se segregan. Ley de la segregación independiente o segunda ley de Mendel En otro experimento, Mendel no siguió sólo características determinadas por un par de genes, sino dos simultáneamente, con lo que tuvo que controlar e interpretar la acción de dos pares de genes de cada progenitor. Mendel observó que las semillas de los guisantes pueden ser amarillas o verdes; comprobó que esta característica es hereditaria y que el gen, para el color amarillo de la semilla, es dominante sobre el verde. Pudo precisar también que otro carácter, la textura de la semilla, es hereditario. Hay guisantes con semillas lisas, mientras que en otros las semillas tienen un aspecto arrugado; además, el gen para semilla lisa es dominante sobre el que determina que sean arrugadas. Considerando estos datos, Mendel siguió experimentalmente el comportamiento de los dos pares de genes: los que determinan el color y los que determinan la textura. CONCEPTOS BÁSICOS 90 Cruce de la primera generación filial “F1” Padres Semillas lisas Semillas rugosas y amarillas y verdes RRYY rryy Caracteres dominantes Caracteres RY RY recesivos ry RrYy RrYy ry RrYy RrYy R r Y y = = = = lisa rugosa amarilla verde “F1” 100% de las semillas lisas y amarillas. Figura 6. Resultados obtenidos por Mendel –hasta la formación de gametos de los individuos de la generación “F1”– en el seguimiento simultáneo de la transmisión de dos caracteres. Cruce de la segunda generación filial (F1 x F1) Rr Yy Gametos resultantes RY RY Ry rY ry Ry x rY ry x Rr Yy RY Ry rY ry RY Ry rY ry RRYY Lisas y amarillas RRYy Lisas y amarillas RrYY Lisas y amarillas RrYy Lisas y amarillas RRYy Lisas y amarillas RRyy Lisas y verdes RrYy Lisas y amarillas Rryy Lisas y verdes RrYY Lisas y amarillas RrYy Lisas y amarillas rrYY Rugosas y amarillas rr Yy Rugosas y amarillas RrYy Lisas y amarillas Rryy Lisas y verdes rrYy Rugosas y amarillas rryy Rugosas y verdes Segunda generación filial (F2) 9: Lisas y amarillas; 3: Lisas y verdes; 3: Rugosas y amarillas; 1: Rugosas y verdes. Figura 7. Combinaciones posibles de los gametos masculino y femenino, que fueron formados por los individuos de la primera generación filial “F1”. En aquellos, puede observarse que los dos caracteres dominantes (lisas y amarillas) y los dos recesivos (rugosas y verdes) tienen la posibilidad de combinarse en dieciséis formas diferentes, puesto que los caracteres “Y”, “y”, “R” y “r” se mueven independientemente unos de otros. Después de analizar con cuidado los resultados, Mendel formuló su segunda ley –conocida como Ley de la segregación independiente–, la cual traducida al lenguaje de hoy en día diría: cada par de factores o genes hereditarios se segregan al azar y se heredan uno independientemente del otro. 91 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL La aplicación de esta ley, al ejemplo de las plantas de guisante, implica lo siguiente: • • • Si la generación progenitora “P” presenta semillas lisas-rugosas y amarillas-verdes, La primera generación filial “F1” presenta semillas lisas y amarillas, es decir, se manifiestan los caracteres dominantes, En la segunda generación filial o “F2” se pueden obtener semillas amarillas o verdes, independientemente de si éstas son lisas o rugosas, y viceversa, se pueden obtener semillas lisas o rugosas sin importar que éstas sean verdes o amarillas. Esto significa que un carácter no influye en absoluto en que el otro se manifieste de una u otra forma. 3.3 LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA Corresponde a la sesión de GA 3.26 (94.1) DESOXIRRIBONU... ¿QUÉ? La teoría cromosómica de la herencia Antecedentes Gregorio Mendel fue el primero que explicó, en el siglo XIX, el mecanismo de la herencia, por medio de leyes que hoy día llevan su nombre. Mendel supuso que los caracteres hereditarios, a los que llamó factores, se encontraban en las células reproductoras (polen y óvulos en las plantas). También pensó que a través de estas células los caracteres se transmitían a sus descendientes. Aunque sus estudios fueron importantes, pasaron inadvertidos por más de 30 años. A principios del siglo XX, lograron el reconocimiento de algunos biólogos que obtuvieron resultados semejantes a los enunciados en las leyes de Mendel. Fundadores de la teoría cromosómica de la herencia La teoría cromosómica de la herencia postula que los genes están localizados en los cromosomas. Teodoro Boveri y Walter S. Sutton, quienes trabajaron independientemente y con diversos organismos, propusieron que las unidades o factores hereditarios (designados como genes, años después) se encontraban en estructuras celulares llamadas cromosomas, cuyo comportamiento estaba relacionado con la segregación identificada por Mendel. Por esa afirmación, Teodoro Boveri y Walter S. Sutton son considerados como los fundadores de la teoría cromosómica de la herencia. La teoría cromosómica se ha ido enriqueciendo con los aportes de varios biólogos que han profundizado en el estudio de los elementos constituyentes de los cromosomas. CONCEPTOS BÁSICOS 92 Por ejemplo, Tomas Hunt Morgan obtuvo evidencias que sustentan la teoría cromosómica, cuando comprobó que algunos caracteres de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) están relacionados con el sexo y con determinados cromosomas. La teoría cromosómica de la herencia se reforzó en 1910, cuando se demostró que un gen, que determina el color blanco de los ojos, estaba localizado en el cromosoma X, un cromosoma determinante del sexo. Los cromosomas Los cromosomas son estructuras celulares que intervienen en la reproducción; se localizan en el núcleo celular. Existen pares de cromosomas muy parecidos en forma y tamaño, a los cuales se les llama cromosomas homólogos. Las células de los seres vivos contienen un número determinado de cromosomas, así, la especie humana tiene 46; el chimpancé, 44; la cebolla, 16; el maíz, 20; y la mosca de la fruta, 8. Figura 8. Cromosomas de las glándulas salivales de Drosophila melanogaster. Los genes Cada cromosoma es portador de una gran cantidad de unidades hereditarias (genes), las cuales contienen información específica sobre las diversas características que intervienen en el aspecto y las funciones de cada individuo. Los genes ocupan un lugar determinado en los cromosomas, como si fueran las cuentas en un collar. Figura 9. Cromosomas. Es posible que un gen determine una característica o intervenga en varias de ellas. También se da el caso de que varios genes participen en la producción de un solo rasgo; por ejemplo, para determinar el color de la piel humana, participan más de ocho genes. 93 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Estructura de los genes y los cromosomas Los cromosomas y, en consecuencia, los genes están constituidos casi exclusivamente de una sustancia llamada ácido desoxirribonucleico o ADN. Esta sustancia tiene la capacidad de autoduplicarse, es decir, formar copias de sí misma. EL ADN En 1953, Francisco Crick y James D. Watson elaboraron un modelo del ADN que permitió explicar la participación de esta sustancia en el almacenamiento de información hereditaria en los genes y en la autoduplicación de éstos. Por su valioso aporte, estos investigadores recibieron el premio Nobel en 1962. Estructura del ADN extremo 3’ extremo 5’ enlaces hidrógeno entre las bases base azúcar fosfato De acuerdo con el modelo elaborado por Crick y Watson, el ADN tiene la forma de una escalera en espiral, cuyos lados o postes son cadenas de azúcares alternadas con fosfatos. Los escalones los conforman sustancias llamadas bases nitrogenadas, de las cuales hay cuatro diferentes: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). En cada escalón, las bases están unidas por parejas: la adenina con la timina (A-T) y la citosina con la guanina (C-G), o a la inversa (TA), (G-C). El orden de las parejas de bases, en la escalera del ADN, determina que el individuo sea un delfín, una planta de trigo, un ratón u otro organismo; ya que sus características dependen de la secuencia de las bases del ADN. extremo 5’ extremo 3’ Figura 10. Modelo del ADN elaborado por Watson y Crick. CONCEPTOS BÁSICOS 94 Duplicación del ADN El ADN se duplica, lo que permite la transmisión de la información hereditaria a los descendientes. El inicio del proceso de duplicación del ADN ocurre cuando la molécula se desenrolla y se abre por la parte media, a lo largo, para formar dos hebras. Cada hebra va tomando bases, azúcares y fosfatos, hasta formar, escalón por escalón, la hebra que le es complementaria. Finalmente, de una molécula de ADN se obtienen dos hebras y se forman dos hélices dobles. 1 2 3 Figura 11. Representación del proceso de duplicación del ADN. 95 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Las moléculas resultantes tienen una mitad recién formada, y otra que procede del ADN previo a la duplicación. Después de la duplicación, el ADN adquiere la forma característica de escalera enrollada. Durante la reproducción, los cromosomas son transmitidos a las células hijas; por lo tanto, las nuevas generaciones celulares contienen la información de la célula madre. 3.4 LA GAMETOGÉNESIS Corresponde a la sesión de GA 3.27 (95.1) MITAD Y MITAD Casi todas las células son capaces de formar células hijas idénticas a ellas. Sin embargo, sólo algunas pueden intervenir en la formación de un organismo completo. Aunque todos los organismos vivos se reproducen, la reproducción sexual no es universal. Dentro de los que se reproducen sexualmente, están los organismos llamados monoicos, un mismo individuo produce gametos masculinos y femeninos; la mayor parte de las plantas con flores son monoicas. En estos casos, los individuos no son sexualmente distintos. En los organismos dioicos, los individuos son sexualmente distintos y cada uno produce un tipo de gameto masculino o femenino. Finalmente, algunas especies se reproducen asexualmente. La información hereditaria está en los cromosomas y se transmite a través de células especializadas en la función reproductora. Las células reproductoras reciben el nombre de gametos, aunque también se les denomina células sexuales. Un ejemplo de éstas son los óvulos y los espermatozoides. Óvulo Cabeza Cuello Núcleo Citoplasma Sección media Cola 0.06 mm Espermatozoide Zona pelucida 0.12 mm Figura 12. El espermatozoide y el óvulo son células sexuales. CONCEPTOS BÁSICOS 96 La producción de gametos se conoce como gametogénesis. En este proceso, ocurre un tipo de reproducción celular llamado meiosis. El proceso de la gametogénesis, o producción de gametos, da como resultado células que sólo poseen la mitad de los cromosomas (conocido como 1n o número haploide), comparativamente con las células que les dan origen, por lo que al fusionarse con el gameto complementario forman una célula que tiene un número doble de cromosomas (conocido como 2n o número diploide de cromosomas). Al iniciarse la meiosis, en las células se forman parejas de cromosomas homólogos. Éstos, durante la meiosis, se separan y sólo uno de cada pareja queda en cada uno de los gametos formados. En la meiosis, suceden dos divisiones celulares. Finalmente, a partir de una célula, se forman cuatro, cada una de ellas con la mitad del número de cromosomas en relación con la célula que las originó. En los animales, la formación de gametos masculinos (espermatozoides) se llama espermatogénesis, y la formación de gametos femeninos (óvulos), ovogénesis. Espermatogénesis Durante la espermatogénesis, se producen en los órganos reproductores masculinos (testículos) células que reciben el nombre de espermatocitos primarios; cada uno de éstos se divide y forma dos células llamadas espermatocitos secundarios. Posteriormente, cada espermatocito secundario forma, por medio de una segunda división, otras dos células, las espermátidas; las cuales se convierten en espermatozoides. Finalmente, cada espermatocito primario forma cuatro espermatozoides. Cada uno de ellos contiene la mitad de los cromosomas homólogos. Ovogénesis Durante este proceso, los órganos reproductores femeninos u ovarios forman células llamadas ovocitos primarios. Cada una de éstas se divide una primera vez y forma dos células, una de ellas de mayor tamaño y otra menor, las cuales se denominan ovocito secundario y glóbulo polar primario, respectivamente. Los ovocitos, al finalizar la meiosis, forman el óvulo y tres cuerpos polares secundarios, respectivamente. Los cuerpos polares se desintegran y sólo queda un óvulo. Finalmente, cada ovocito primario forma un óvulo que contiene la mitad de los cromosomas homólogos. 97 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Espermatogénesis Ovogénesis Espermatocito de primer orden Ovocito de segundo orden Primera división meiótica Espermatocito de segundo orden primer glóbulo polar Ovocito de primer orden Segunda división meiótica Espermátidas Diferenciación Espermatozoides Óvulo Segundos glóbulos polares Célula huevo Figura 13. Gametogénesis. Fecundación Cuando el espermatozoide se une con el óvulo ocurre la fecundación. La unión de los núcleos de ambas células restituye las parejas de cromosomas homólogos. Por esta razón se conserva el número de 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 cromosomas, aunque en la meiosis se haya reducido. 7 8 9 10 11 12 7 8 9 10 11 12 Por ejemplo, la especie humana presenta 46 cromosomas, 23 pares de cromosomas homólogos. Por medio de la meiosis se producen los espermatozoides y óvulos, los cuales contienen la mitad de ese material genético, es decir, 23 cromosomas cada uno. A Los cromosomas del padre y de la madre se unen por medio de la fecundación, para formar 23 pares de cromosomas. 13 14 15 16 19 20 21 22 17 18 XY B 13 14 15 16 19 20 21 22 17 18 XX 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 13 14 15 16 17 18 C 10 20 21 22 X D 19 20 21 22 XXXY Figura 14. Cromosomas en: a) un hombre normal y b) una mujer normal. CONCEPTOS BÁSICOS 98 Las variaciones Durante la meiosis, ocurren combinaciones entre los cromosomas homólogos. El resultado de este hecho es la producción de diversas combinaciones de rasgos en los individuos, lo que los hace diferentes a los demás. Figura 15. La combinación de los cromosomas paterno y materno origina individuos con características propias. 3.5 GENOTIPO Y FENOTIPO Corresponde a la sesión de GA 3.28 (96.1) LAS APARIENCIAS ENGAÑAN Genotipo Gracias a una multitud de observaciones y experimentos que se han realizado, hoy en día se sabe que todas las características de cualquier ser vivo están determinadas por una serie de diminutas estructuras denominadas genes. Estas estructuras son consideradas las unidades fundamentales de la herencia biológica. La constitución genética que posee un organismo la compone la totalidad de sus genes. El conjunto de características genéticas se denomina genotipo. En condiciones ordinarias, el genotipo es el mismo durante toda la vida de un organismo, y éste lo transmite a su descendencia mediante la reproducción. A medida que un organismo se desarrolla, sus genes interactúan con el medio, de tal modo que la temperatura, luz, humedad, presión de aire, agua, alimento, oxígeno y dióxido de carbono pueden afectar directamente su desarrollo. El fenotipo Las características observables, producto de la acción de los genes y el ambiente, constituyen lo que se conoce como fenotipo. Éste se encuentra en constante cambio (desde 99 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL que nace el individuo hasta su muerte) debido al medio. Por esta razón, organismos con la misma información genética (genotipo) desarrollan caracteres diferentes (fenotipo). Por ejemplo, el color verde de las hojas de los vegetales es una característica del fenotipo, mientras que el gen o genes que lo determinan constituye el genotipo. Al color de las hojas, puede afectarlo la cantidad de luz; si ésta es muy escasa, cambiará tanto la tonalidad verde de la hoja (disminuirá la intensidad de su color), es decir el fenotipo. Figura 16. El fenotipo puede cambiar por acción del medio ambiente. Como los seres humanos tienen tantas características, resulta muy complicado predecir los caracteres de las siguientes generaciones. Sin embargo, algunos de ellos son muy evidentes (color del pelo o de los ojos, o bien la forma de la boca y nariz); por lo que es posible saber de qué progenitor fueron heredados y, por lo tanto, construir la genealogía de ese carácter en la familia. A B C D E H F G I Figura 17. Ejemplo de genealogía. El señor “A” de pelo lacio y la señora “B” de pelo ondulado (crespo o chino) tuvieron tres hijos, “C” “D” y “E”, todos con el pelo lacio (carácter dominante). El hijo “E” y la señora “F” de pelo lacio, tuvieron dos hijos “H” e “I”, donde “H” tuvo pelo ondulado (crespo o chino, carácter recesivo). De esta pequeña genealogía puede concluirse que tanto “E” como “F” son portadores del carácter de pelo ondulado (aunque los progenitores presenten pelo lacio), el cual se manifiesta en el individuo “H”. CONCEPTOS BÁSICOS 100 101 formado por ESCALERA EN CARACOL en forma de DOBLE CADENA de ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) como el MATERIAL GENÉTICO a través de LA TRANSMISIÓN DE CARACTERES DE PADRES A HIJOS que es LA HERENCIA estudia LA GENÉTICA son partículas de determinados por PELDAÑOS construidos por PARALES constituidos por NÚCLEO CÉLULAR en el LOS CROMOSOMAS localizados en LOS GENES tienen varios FENOTIPO se manifiestan siempre en el DOMINANTES GUANINA CITOSINA TIMINA ADENINA DESOXIRRIBOSA FOSFATO pueden ser CARACTERES FENOTIPO no siempre se manifiestan en el RECESIVOS El siguiente mapa conceptual nos muestra los principales conceptos de la genética: BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.6 LA HERENCIA LIGADA AL SEXO Corresponde a la sesión de GA 3.29 (97.1) EL SEXO TAMBIÉN IMPORTA La transmisión de características de padres a hijos ha sido siempre un tema de gran interés para el ser humano. En este campo, los experimentos realizados por T. Boveri y W. S. Sutton afirmaron que en los cromosomas se transporta a los genes y que el comportamiento de éstos se refleja en las características del individuo. Tomas Hunt Morgan, en 1910, aportó una de las pruebas más significativas a la teoría cromosómica. Cuando Morgan revisaba un cultivo de moscas de la fruta (Drosophila melanogaster), encontró un ejemplar con ojos blancos (el cual era macho), cuando lo común de estos insectos son los ojos rojos. Morgan separó al macho de ojos blancos y lo cruzó con una hembra de ojos rojos; las moscas de la generación “F1” resultaron todas de ojos rojos, es decir, manifestaron el carácter dominante. Después, Morgan cruzó entre sí individuos de la generación “F1”, y obtuvo en la generación “F2” una proporción de 75% de moscas con ojos rojos (carácter dominante) y 25% de moscas con ojos blancos (carácter recesivo). Cuando este investigador observó los organismos de ojos blancos de esta generación, se percató de que todos eran machos, lo cual explicó como una asociación del carácter hereditario con el sexo. Cromosomas sexuales La mosca de la fruta presenta ocho cromosomas, es decir, cuatro pares de cromosomas homólogos. En las hembras, éstos son muy similares, mientras que en los machos el cuarto par presenta diferencias, tanto de tamaño como de forma. El par de cromosomas que influye en la determinación del sexo es conocido como par sexual o cromosomas sexuales. El sexo de las hembras lo determinan los cromosomas sexuales conocidos con “XX”. En los machos, el sexo lo determinan los cromosomas conocidos como “XY”. Autosomas Los pares de cromosomas homólogos, que no intervienen en la determinación del sexo, son conocidos como autosomas. Los autosomas determinan características del cuerpo de los organismos. En el caso de la mosca de la fruta, los primeros tres pares de cromosomas son autosomas y el último es el par sexual. CONCEPTOS BÁSICOS 102 Figura 18. Cromosomas sexuales de Drosophila melanogaster, a) hembra y b) macho. 3.7 LA RECOMBINACIÓN GENÉTICA Corresponde a la sesión de GA 3.30 (98.1) CADA UNO POR SU LADO Los cromosomas están constituidos por genes. Los genes están considerados como la unidad cromosómica. Los genes pueden producir una recombinación o entrecruzamiento. Éste consiste en el intercambio de genes entre cromosomas homólogos. En los organismos, plantas y animales, por ejemplo, existen muchos más genes que pares de cromosomas. Durante la meiosis, los cromosomas se relacionan y separan como unidades. Al principio de la meiosis, los cromosomas homólogos se aparean e intercambian segmentos del mismo cromosoma. Células antes de la meiosis Si se representara a los cromosomas homólogos como dos pedazos de cordel, uno rojo y otro azul, cuando finalizara la meiosis, se observaría que los cromosomas (cordeles) se han recombinado, es decir, estarían formados por segmentos rojos y segmentos azules. El proceso mediante el cual se lleva a cabo la formación de tales segmentos se llama recombinación o “crossing over”; el último término lo aplicó el grupo de genetistas encabezados por Tomas Hunt Morgan, los cuales realizaron estudios en Drosophila melanogaster. A a B b 20% de células 80% de células AA BB AA aa Estadio de cuatro cromátidas bb aa b B BB bb Entrecruzamiento 20% 20% 20% 20% A A A a a B B b b B 5% 5% Totales: 45% AB: 45% ab; 5% Ab; 5% aB Figura 19. Durante la meiosis, se produce la recombinación o entrecruzamiento de genes. 103 A a b b B 5% A A a B b B a 5% a b BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL La recombinación es un fenómeno biológico ampliamente distribuido en las plantas y animales. También se ha observado en hongos, bacterias y virus. Normalmente, el entrecruzamiento ocurre entre dos puntos del cromosoma; la distancia entre estos dos puntos o genes del cromosoma se mide en “unidades de cruzamiento”. La cantidad de unidades de cruzamiento representa el porcentaje de cruzamiento entre cromosomas. Los resultados de tales cruzamientos permiten obtener mapas detallados de la ubicación de genes específicos, en cromosomas específicos. Los mapas de cromosomas más detallados son los de la bacteria Escherichia coli y los de Drosophila melanogaster. En los organismos, la recombinación de genes o recombinación genética es importante porque es una fuente de variabilidad genética, la cual aumenta en organismos que presentan fecundación cruzada. Drosophila melanogaster Corresponde a las sesiones de GA 3.31 TÉCNICAS PARA EL MANEJO DE DROSOPHILA y 3.32 (99.1) DE COLORES. Drosophila melanogaster es una especie ampliamente distribuida en la mayor parte del mundo. Las poblaciones de este insecto son más numerosas durante las estaciones cálidas. Es posible encontrar estas moscas en mercados donde se expenden frutas, como plátanos o uvas. También se la encuentra alrededor de los depósitos de basura doméstica. La duración del ciclo de vida de Drosophila melanogaster varía, lo que depende de la temperatura a la cual se desarrolla. La regulación hormonal de esta mosca provoca su metamorfosis, es decir, los cambios en su organismo. A una temperatura de 25°C, el ciclo se completa en 10 días, aproximadamente; a 20°C, en 15 días. Con la finalidad de usar esta mosca en estudios relacionados con la genética, es preciso conocer y diferenciar las diversas fases de su ciclo de vida y, además, identificar su sexo. Las moscas hembras adultas llegan a producir de 400 a 500 huevos en 10 días. Los huevos son ovoides, pequeños y tienen dos filamentos en uno de sus extremos, lo que impide que se hundan en la superficie blanda del material donde son depositados. La larva sale del huevo después de un día. CONCEPTOS BÁSICOS 104 a b Figura 20. Drosophila melanogaster, a) hembra y b) macho. Las larvas tienen forma de gusano y su color es blanco; sufren dos mudas hasta alcanzar 4.5 mm de longitud; sus partes bucales son de color negro, lo que las hace muy notorias. Cuando la larva madura, se transforma en pupa. Si las moscas están en un frasco de cultivo, las pupas generalmente suben por las paredes. Las últimas fases de la metamorfosis transcurren en el interior de la envoltura de la pupa. En esta fase, es posible identificar los ojos, alas y patas. Cuando concluyen estos cambios, emerge la mosca rompiendo la envoltura. Figura 21. Estadios de Drosophila melanogaster. 105 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Recién salidas de la envoltura, las moscas son muy largas, frágiles, de color muy claro y no extienden aún sus alas. En pocas horas, se oscurecen y adquieren la apariencia de la mosca adulta. Las moscas adultas viven cerca de un mes. Las hembras se aparean diez horas después de haber emergido de su envoltura. Para reconocer los sexos, es necesario observar el abdomen de las moscas. En las hembras, el extremo del abdomen es alargado, mientras que en el macho es redondeado. Los segmentos constituyentes del abdomen son siete en la hembra, y cinco en el macho. Además, el macho presenta en un artejo o segmento de las patas anteriores el peine sexual, que está en la superficie y consiste en diez cerdas (pelos cortos). 3.8 LAS MUTACIONES Corresponde a la sesión de GA 3.33 (100.1) CAMINOS EQUIVOCADOS El ADN de los genes es con seguridad la sustancia más estable que contiene la célula; esta particularidad permite que en él resida la información genética. Sin embargo, hay ocasiones en que los genes que forman un cromosoma cambian y lo modifican. A estos cambios, se les llaman mutaciones. Las mutaciones pueden, eventualmente, transmitirse a la descendencia. Las mutaciones son, en sí, modificaciones en la estructura del ADN. La mayoría de las mutaciones son perjudiciales. En forma natural, el ADN genético presenta mutaciones a lo largo de miles de divisiones celulares. Las mutaciones permiten que los organismos se adapten al medio y evolucionen. Existen diferentes tipos de mutaciones: • • • • • Puntiforme. Consiste en un cambio pequeño dentro de un gen. Delección. Es la falta de un segmento del cromosoma. Duplicación. Es la repetición de una misma porción del cromosoma. Translocación. Ocurre cuando una porción del cromosoma se desprende y se reúne con cromosomas no homólogos. Inversión. Cuando un segmento gira de extremo a extremo y se adhiere al mismo cromosoma. Los tipos de mutaciones descritos pueden presentarse durante la reproducción de las células somáticas y, también, en el caso de las células sexuales. La mutación de una célula sexual puede tener repercusiones en las características de los autosomas o de los cromosomas sexuales. CONCEPTOS BÁSICOS 106 3.9 GENÉTICA HUMANA Corresponde a la sesión de GA 3.33 (100.1) CAMINOS EQUIVOCADOS Los cambios que las mutaciones producen en el ser humano se conocen con el nombre de síndromes; entre los más comunes pueden citarse los siguientes: Trisomía 21 o síndrome de Down. La causa de este padecimiento es la presencia de un cromosoma de más en el par 21 (normalmente el hombre tiene 22 pares de autosomas, más un par de cromosomas sexuales). Los individuos que presentan este síndrome padecen retraso mental, tienen la lengua más larga que lo normal, las manos pequeñas y anchas, ojos oblicuos, músculos débiles, cabeza ancha y rostro redondeado. a b Figura 22. Trisomía 21, características de a) rostro y b) mano. Síndrome de Turner. Lo presentan individuos del sexo femenino y se caracteriza por la ausencia de un cromosoma “X” en los óvulos. Las mujeres que lo padecen son estériles, tienen apariencia de niñas –ya siendo adultas–, son de baja estatura, muy delgadas, tienen las orejas más bajas de lo normal, presentan deficiencias en el oído y anormalidades cardiovasculares. 107 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 23. Persona que presenta el síndrome de Turner. Síndrome de Klinefelter. La presencia de un cromosoma “Y” en el par sexual “XX” caracteriza este síndrome; por lo que la persona que lo padece tiene tres cromosomas sexuales XXY. Los individuos con este síndrome presentan las siguientes características: testículos pequeños y no producen espermatozoides o producen muy pocos, voz con tonalidad femenina y deficiencia mental, entre otras manifestaciones. Figura 24. Persona que presenta el síndrome de Klinefelter. CONCEPTOS BÁSICOS 108 109 RETRASO MENTAL Y ANORMALIDADES ANATÓMICAS presenta CROMOSOMA 21 trisomía en SÍNDROME DE DOWN RETRASO MENTAL Y MALFORMACIONES EN LOS SISTEMAS presenta CROMOSOMA 18 trisomía en SÍNDROME DE EDWARDS ejemplo INVOLUCIÓN DEL SISTEMA NERVIOSO manifestado en CADA PAR DE CROMOSOMAS AFECTADOS en CAMBIOS CARACTERÍSTICOS produce TRISOMÍAS denominada EXCESO DE CROMOSOMAS se presentan por ALTERACIONES EN LA MOLÉCULA DE ADN se producen por ENFERMEDADES CROMOSÓMICAS EN LA ESPECIE HUMANA CARACTERÍSTICAS SEXUALES INFANTILES, NO REPRESENTAN OVARIOS Y MANDÍBULAS ANORMALES presenta CROMOSOMA XO monosomía en SÍNDROME DE TURNER ejemplo LAS RELACIONADAS CON LOS CROMOSOMAS SEXUALES a excepción de CAUSAN LA MUERTE todas FALTA DE UN CROMOSOMA es decir MONOSOMÍAS denominada DEFECTO DE CROMOSOMAS El siguiente mapa conceptual sintetiza los principales síndromes: BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.10 MUTACIONES PROVOCADAS POR RAYOS X Y POR RAYOS ULTRAVIOLETA Corresponde a la sesión de GA 3. 33 (100.1) CAMINOS EQUIVOCADOS Los rayos X y los rayos ultravioleta (RUV) constituyen un factor relevante en la producción de mutaciones debido a que provocan alteraciones en el ADN. Las radiaciones ultravioleta las producen los rayos solares y, generalmente, se asocian al cáncer de la piel. Las personas de tez clara son más suceptibles a sufrir daños en su ADN por acción de los RUV y a padecer cáncer de piel, debido a los pocos pigmentos de melanina que presentan. Las mutaciones también pueden ser provocadas por la acción de ciertas sustancias químicas. Por ejemplo, el formaldehído, sustancia utilizada para preservar materiales de laboratorios de zoología, tiene un leve efecto mutagénico. Algunas otras mutaciones somáticas están asociadas a factores ambientales; por ejemplo, el cáncer de pulmón, provocado por el humo, y el cáncer de piel que producen algunos productos derivados del alquitrán. 3.11 LA GENÉTICA Y LA SELECCIÓN ARTIFICIAL Corresponde a la sesión de GA 3.34 (101.1) METIENDO LA MANO A lo largo de la historia, el ser humano ha logrado mejorar diversas especies, tanto animales como vegetales, por medio de la selección artificial y el cruzamiento de algunas variedades. Mediante la observación de la gran variedad de caracteres que presentan los organismos y la aplicación de la selección artificial, se han logrado mejorar algunas variedades de organismos. Un ejemplo es la ganadería; en esta actividad algunos ganaderos realizan cruces, previa selección de algunas características que desean conservar, fijar o modificar en sus animales. Por ejemplo, la producción abundante de carne puede lograrse cruzando organismos de una raza que no produzca mucha con otros de una raza que sea buena productora. Por medio de varios cruces se obtienen buenos productores de carne. Este mismo procedimiento se aplica para obtener animales productores de carne, leche o lana, por ejemplo. CONCEPTOS BÁSICOS 110 Otro ejemplo de selección artificial son las ovejas de patas cortas, las cuales se obtienen mediante varios cruzamientos de ovejas de patas largas con alguna oveja que presente la característica de tener patas cortas. La finalidad de obtener este tipo de ovejas es que éstas sean incapaces de saltar las cercas. Figura 25. La oveja merino produce lana muy fina. A la derecha un carnero obtenido por selección artificial, y a la izquierda un carnero de la línea original. En la agricultura, se observan también algunos ejemplos. Tal es el caso de la obtención de maíz híbrido como resultado de cruzamientos de dos variedades de maíz, con lo cual se logra una mejor calidad. Figura 26. El maíz híbrido presenta uniformidad de tamaño. 3.12 INGENIERÍA GENÉTICA Corresponde a la sesión de GA 3.34 (101.1) METIENDO LA MANO Por medio de la ingeniería genética, se han logrado grandes avances en el estudio y la manipulación de genes. 111 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Los especialistas en la materia realizan estudios utilizando diversas técnicas en organismos vivos (o parte de ellos), para cambiar o producir nuevas formas de vida. Las técnicas de ingeniería genética consisten en cortar segmentos de ADN para unirlos a plásmidos (cromosomas bacterianos), que posteriormente son replicados en algunas bacterias como la Escherichia coli. La finalidad es modificar el genotipo bacteriano para favorecer la producción de una determinada sustancia. Este tipo de investigaciones se realiza actualmente. Los investigadores dedicados a la ingeniería genética recurren a la biología celular, ya que su labor consiste en añadir, eliminar o alterar funciones enzimáticas dentro de la célula. El objetivo de la ingeniería genética es generar mutaciones capaces de provocar, por ejemplo, la formación de nuevos genes que induzcan a las células o los organismos para que sintetizen nuevas enzimas. El advenimiento de la ingeniería genética permitió conocer la probabilidad de expresión de algunas enfermedades hereditarias. Aunque se ignora el origen de la mayor parte de estas enfermedades, algunos trastornos humanos son causados por la falta de una enzima (sustancia necesaria para la realización del metabolismo). Algunos ejemplos de enfermedades debidas a la falta o alteración de una enzima son la fenilcetonuria, el bocio y el albinismo, entre otros. La modificación de la tirosina (enzima secretada por la glándula tiroides) causa el bocio. El albinismo se debe a la ausencia de la melanina, responsable de la pigmentación de la piel. Los estudios de ingeniería genética se basan en el uso de bacterias. El objetivo es hacerlas producir proteínas de gran importancia en la medicina, por ejemplo: la insulina y la hormona del crecimiento. Otro aporte que ofrece la ingeniería genética es la posibilidad de introducir genes fijadores de nitrógeno en bacterias cuyo hábitat sean raíces de plantas que no son leguminosas, lo que lograría disminuir o eliminar el uso de fertilizantes nitrogenados en la agricultura. CONCEPTOS BÁSICOS 112 a b c d Figura 27. Albinismo en diversos organismos, a) ardilla gris, b) ardilla gris albina, c) plántula de maíz, y d) plántula de maíz albina. Tal vez en el futuro sea posible crear, mediante la ingeniería genética, virus artificiales para corregir algunas deficiencias genéticas. Los experimentos de ingeniería genética implican peligros, ya que se ignora si la manipulación de algunos genes pueda originar nuevos organismos infecciosos o producir consecuencias biológicas desconocidas. Por lo tanto, en estos estudios, se toman precauciones para evitar que suceda un accidente de este tipo. 113 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.13 EL PROYECTO GENOMA HUMANO Corresponde a la sesión de GA 3. 34 (101.1) METIENDO LA MANO El ADN es la molécula esencial de los cromosomas, es una molécula de doble cadena, con forma de escalera retorcida, formada por compuestos químicos enlazados llamados nucleótidos. El código genético está determinado por el orden que ocupan las bases nitrogenadas (adenina, timina, guanina y citosina) en la escalera del ADN extremo 5’ extremo 5’ extremo 3’ extremo 3’ CONCEPTOS BÁSICOS El conocimiento de la información genética de un organismo es fundamental para poder descifrar los fenómenos biológicos, entre los cuales se puede mencionar la organización de las células, el proceso de crecimiento, la fisiología de ciertos órganos, etc. El “Proyecto Genoma Humano” es un programa a nivel internacional, donde participan científicos de varios países, para obtener el conocimiento básico de la dotación genética completa contenida en los cromosomas humanos. Esta dotación genética se encuentra ubicada en el ADN o Ácido desoxirribonucleico. Entre los objetivos del proyecto están: aprender más acerca de la conformación y funcionamiento del organismo; profundizar sobre las enfermedades hereditarias y en la prevención de numerosas enfermedades. El Proyecto Genoma Humano nació luego de una serie de conferencias científicas presentadas entre 1985 y 1987, pero tomó fuerza cuando se amplió la financiación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y del Departamento de Energía, en Estados Unidos en 1900. Uno de los primeros directores del proyecto fue el bioquímico James Watson. Entre los países que tienen programas oficiales de investigación sobre este proyecto están Francia, Alemania, Japón y Reino Unido. El proceso de secuenciación se lleva a cabo en las siguientes etapas: obtención de pequeñas muestras de sangre o tejidos obtenidos de diferentes personas; el ADN de las personas se somete a tratamiento bioquímico y ruptura. 114 Se denomina fisiología al estudio de los procesos tanto físicos como químicos que se presentan en el organismo, durante la realización de las funciones vitales, como la reproducción, el crecimiento, el metabolismo, la respiración, etc. En la actualidad, se reconocen tres divisiones de la fisiología: la fisiología general (procesos básicos); la fisiología y anatomía funcional (funcionamiento, patologías y estudios comparativos) y la fisiología vegetal (fotosíntesis y otros procesos de las plantas). (1928- ) Biofísico y premio Nobel estadounidense, contribuyó a determinar la estructura del ADN, basándose en los estudios llevados a cabo por el biofísico británico Maurice Wilkins. Watson y Crick desentrañaron la estructura del ADN, sustancia que transmite las características genéticas de una generación a otra. Watson en 1968 escribió un libro sobre la historia del descubrimiento de la estructura del ADN, titulado “La doble hélice”. De 1988 a 1992, ayudó a dirigir el Proyecto Genoma Humano. La cartografía genética es un conjunto de técnicas para la elaboración de mapas genéticos sobre la secuencia de ADN. Existen dos técnicas: ligamento que identifica sólo el orden relativo a los genes, a lo largo del cromosoma, y cartografía física, donde se determina la distancia entre los genes dentro del cromosoma. Luego, análisis mediante técnicas de cartografía genética para determinar la secuencia de los nucleótidos de cada fragmento de ADN, y finalmente análisis y comparación de todos los datos obtenidos. Los primeros resultados del Proyecto Genoma Humano han provocado un debate internacional, ya que, para muchas personas, puede convertirse en un problema para su vida. Por ejemplo, el uso de este conocimiento podría ocasionar discriminaciones a nivel social y laboral, en caso de las personas que son portadoras de enfermedades genéticas, al analizarse su ADN y compararlo con la secuencia normal. También se plantea un problema ético en torno a la manipulación del ADN de embriones humanos para obtener clones. Es un grupo de organismos que se deriva de otro a través de un proceso de reproducción asexual. Puede darse tanto en las células, como en organismos. Por lo general, los miembros de un clon tienen características hereditarias idénticas; es decir, sus genes son iguales, con excepción de algunas diferencias. En febrero de 1997, los investigadores del Instituto Roslin, en Edimburgo, anunciaron que habían creado la primera oveja clónica “Dolly”. 2 Oveja de cabeza negra Perfusión de los oviductos Oveja blanca gestante Membrana transparente Glóbulo polar (n cromosomas) 1 NUCLEACIÓN DEL OVOCITO Cromosomas del ovocito Membrana (n cromosomas) plasmática Células de glándula mamaria en cultivo Activación eléctrica del ovocito Cultivo durante cinco días Células de glándula mamaria en reposo Corriente eléctrica FUSIÓN 3 Dolly Embrión (fase 1) IMPLANTACIÓN DE UN OVIDUCTO LIGADO DE OVEJA DE CABEZA NEGRA 115 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 3.14 MANIPULACIÓN GENÉTICA EN CEREALES Corresponde a la sesión de GA 3.35 (102.1) CRUZA O NO CRUZAS Dentro de los productos agrícolas cultivados con mayor interés –y para los cuales se dispone de una superficie muy extensa de terreno– se encuentran algunos cereales que el ser humano utiliza en su alimentación. Los principales cereales son trigo, maíz, arroz, avena, cebada y centeno. Es posible afirmar que el maíz, el trigo y el arroz forman la base alimenticia de muchos pueblos; por esta razón, siempre ha existido la preocupación de producirlos en mayor cantidad y calidad utilizando diversas técnicas. X A La técnica más simple y antigua es la conocida como selección mazal de granos; ésta consiste en seleccionar las mazorcas (en el caso del maíz) de mejor calidad, es decir, las de mayor tamaño y cantidad de grano, y utilizarlas en la siembra de la siguiente temporada. X B C D X AB CD Con el fin de obtener las características favorables de ambas mazorcas, ya se han realizado hibridaciones polinizando plantas de una especie con el polen de otras. Por ejemplo, en el caso del maíz, se tiene una especie con la mazorca pequeña totalmente llena de granos, y otra con mazorca grande con pocos granos. Al cruzarlas, se espera obtener híbridos con mazorcas grandes y totalmente llenas de granos. Este resultado puede lograrse después de varios cruces. Figura 28. Hibridación del maíz. CONCEPTOS BÁSICOS 116 Actualmente, todo el maíz que se produce en Estados Unidos proviene de semillas híbridas de doble cruce. En algunos países, los trabajos con el maíz han estado encaminados a obtener especies resistentes a grandes altitudes, dadas las características del país; en general, los resultados han sido buenos. Ahora se trabaja para aumentar la producción de granos por hectárea. Normalmente, la producción de maíz oscila entre 600 y 1 000 kg por hectárea; con la mejora genética se han logrado, en zonas montañosas, 2 000 kg por hectárea. En general, se han obtenido híbridos resistentes al viento, engrosando el tallo de especies que no lo son. También se ha logrado que las plantas, tanto masculinas como femeninas, florezcan al mismo tiempo, ya que si no es así su producción sería menor. Otros logros han sido la obtención de maíz resistente a varios tipos de suelo, a sequías a heladas y el incremento del rendimiento por hectárea. En el caso de la cebada, el mejoramiento genético está enfocado hacia la producción de cerveza; esto requiere plantas de pequeño tamaño para que los nutrientes utilizados en su crecimiento sean empleados en la producción de granos. El trigo es el cultivo más importante de las zonas templadas; al igual que con la cebada, la mejora genética se ha enfocado hacia el incremento en la cantidad de grano, ya que éste es la parte más utilizada. El trigo además se ha manipulado genéticamente para obtener una harina de buena textura, es decir, que al molerlo la harina sea de buena calidad, no forme grumos y sea muy fina. El contenido de proteínas no representa ningún problema, ya que la mayoría de especies contiene suficiente. El triticale es un híbrido, resultado del cruce entre el centeno y el trigo. El cruce original ocurrió en forma natural y los híbridos resultantes fueron estériles, es decir, no pudieron tener descendientes. Actualmente, mediante la utilización de algunas sustancias químicas, el triticale puede reproducirse sin ese inconveniente. Figura 29. Espigas de cebada mejorada; son resistentes al ataque de la roya, un tipo de hongo. 117 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL El éxito del triticale estriba en que presenta características del trigo, con un adecuado contenido de proteínas, y el alto rendimiento de centeno. En el triticale, también se destaca su resistencia a condiciones climáticas extremas. En la actualidad, hay disponibles triticales resistentes a varios tipos de suelos (donde naturalmente no crecerían ni el trigo, ni el centeno), a plagas, sequías y heladas. Aunque su calidad de harina no supera a la del trigo, puede utilizarse para consumo humano y como alimento para el ganado. La manipulación genética también tiene ciertas desventajas; por ejemplo, el cultivo de un híbrido resistente a las sequías queda limitado a zonas con estas características, por lo que si fuera necesario sembrarlo en un lugar diferente no tendría el mismo resultado. Otra desventaja es que la introducción de híbridos mejorados a ciertas zonas desplazará a las especies que ahí se producen, y el material genético de la zona se perderá. La alternativa para solucionar un problema de este tipo es retomar las especies de cada región y mejorarlas en su lugar de origen. Esto implica una regionalización –un estudio de las características del suelo, clima y varios factores más– para saber qué especies proporcionarían mejores resultados. 3.15 GENES Y AMBIENTE Corresponde a la sesión de GA 3.36 (103.1) LA FUERZA DEL AMBIENTE La información genética que contienen los cromosomas puede resultar modificada por factores tanto internos como externos; estas modificaciones pueden transformar el material genético, a corto o largo plazo, y producir mutaciones. Los factores externos capaces de provocar mutaciones son, por ejemplo, las radiaciones y ciertas sustancias químicas. Entre las principales fuentes de radiación, podemos citar las armas atómicas, centrales nucleoeléctricas, equipos de rayos X, radiaciones solares y hornos de microondas, entre otros. Unas fuentes de radiación son más dañinas que otras, lo que depende de la cantidad de radiación que generen. Las armas atómicas generan mucha radiactividad y, depende de la cantidad y el tiempo de exposición a las radiaciones, los efectos van desde la muerte en pocos días o semanas, hasta la aparición de cáncer en la piel, destrucción de la médula ósea, leucemia y malformaciones genéticas que se presentan durante varias generaciones. CONCEPTOS BÁSICOS 118 Figura 30. Las armas atómicas generan radiactividad. Por ejemplo, durante la Segunda Guerra Mundial, fueron bombardeadas las ciudades de Hiroshima y Nagasaki, en Japón. Las personas que sobrevivieron presentaron cáncer, anemias, poca resistencia a infecciones y efectos en sus descendientes (predisposición a la leucemia). Las centrales nucleoeléctricas generan energía eléctrica por medio de reactores nucleares que funcionan con uranio; éste es un metal que emite radiaciones. Además de los desechos que generan, se corre el riesgo de que los reactores exploten (como en el caso de Chernobyl en la antigua URSS) y produzcan una nube radiactiva que dañe a su paso a todo ser vivo. Los rayos X, el Sol y los aparatos eléctricos son fuentes menores de radiación; sin embargo, cuando se usa un aparato de rayos X se recomienda que las mujeres embarazadas estén fuera de la sala, o bien se protejan con una barrera de plomo para no afectar el desarrollo normal del niño en gestación. 119 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Cámara de televisión Luz de la pantalla Pantalla fluorescente Rayos X Paciente Objetivo giratorio para evitar que los electrones lo calienten en exceso. Electrones proyectados hacia el objetivo. Tubo de rayos X Figura 31. Los rayos X pueden producir mutaciones. Los países industrializados desechan una gran cantidad de sustancias radiactivas, depositándolas en “basureros radiactivos”, éstos son un potencial generador de mutaciones. DAÑA LAS CÉLULAS SOMÁTICAS: puede causar enfermedad o muerte del individuo. RAD IACIÓ N DAÑA LOS GENES DE LAS CÉLULAS REPRODUCTORAS: puede afectar las generaciones futuras. Figura 32. Las sustancias radiactivas son un peligro latente. CONCEPTOS BÁSICOS 120 Entre las sustancias químicas que afectan la información genética están el plomo, el mercurio y el cadmio. Generalmente, las industrias vierten sustancias que los contienen en ríos, lagunas, estanques y embalses, contaminan tanto el agua como a los seres vivos, incluido el ser humano. El plomo produce, en el ser humano, una enfermedad llamada saturnismo, que causa trastornos en los sistemas digestivo, urinario y nervioso. El mercurio es muy tóxico cuando alcanza determinadas concentraciones; si lo ingiere alguna mujer embarazada, el feto sufrirá daños genéticos muy graves. El cadmio provoca trastornos digestivos y renales. En los huesos, produce descalcificación, y en la médula ósea, causa lesiones severas. También existen algunos medicamentos y drogas que producen alteraciones en la información genética cuando son utilizados durante el embarazo. Por ejemplo, en 1962 en Europa, se dio un caso de que algunas madres tomaran, durante el embarazo, pastillas tranquilizantes que contenían un medicamento llamado talidomida, y dieron a luz bebes anormales; los niños nacieron con extremidades cortas y deformadas y, además, presentaron desórdenes internos. Todos los agentes que provocan mutaciones actúan principalmente durante la duplicación del ADN. 3.16 RESPONSABILIDAD DEL ESTUDIANTE Corresponde a la sesión de GA 3.37 (104.1) MI RESPONSABILIDAD Colombia posee una megabiodiversidad, es decir, una gran diversidad de ecosistemas y una gran riqueza de recursos naturales, a lo cual contribuye su enorme variedad de climas. Figura 33. La diversidad de Colombia no sólo está en sus paisajes, sino en sus variadas culturas. 121 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Pero, ¿cómo se utilizan los recursos naturales?, ¿qué ocurre con la gran diversidad de ecosistemas de Colombia?, ¿cuál es la actitud de las personas ante la realidad que observan y que viven? Muchas de las especies de organismos que habitan en Colombia, especialmente de la flora y la fauna, han desaparecido, y otros están en peligro de extinción; además, la explotación de los recursos naturales genera un deterioro en una forma acelerada. La población, en constante aumento, genera fuertes presiones sobre los recursos naturales. Dichas presiones se manifiestan en la contaminación del agua, aire y suelo, y en la sobreexplotación de los recursos naturales. La responsabilidad del estudiante, en el estudio de la Biología y la Educación Ambiental, es fundamental, ya que él es el promotor de los conocimientos nuevos, un generador de nuevas ideas y el motivador y primer participante en actividades que ayuden a resolver problemas personales y comunitarios. La solución de muchos problemas empieza por el conocimiento de éstos, en este sentido, la aplicación de la metodología científica en la búsqueda de soluciones a problemas de su entorno es fundamental. El estudiante puede desarrollar una conciencia ética que permita el cuidado y la conservación de los ecosistemas. En estos esfuerzos, la vinculación entre la escuela y la comunidad es fundamental. Por lo tanto, son importantes los cambios que manifieste el(la) estudiante en su conducta, la promoción de campañas y el desarrollo de proyectos, en donde actúan como promotores del cambio en la comunidad. La escuela y la comunidad deben mantenerse en estrecha relación, ya que la primera genera conocimientos que pueden aplicarse en la vida cotidiana, por ejemplo: la construcción de un huerto, la producción de compost, el restablecimiento y conservación de las condiciones ambientales, la promoción de hábitos higiénicos y alimentarios y la prevención de enfermedades. La comunidad puede beneficiarse directamente con la aplicación de los conocimientos, lo que, finalmente, retroalimenta el trabajo escolar. Figura 34. La comunidad puede aplicar los conocimientos que se imparten en la escuela. CONCEPTOS BÁSICOS 122 Las actividades en Biología y Educación Ambiental, y en general el trabajo escolar, fortalecen el compañerismo, la solidaridad, la concertación, la tolerancia, etc. Además, favorecen el desarrollo de habilidades y destrezas que benefician al estudiante en su vida cotidiana; por tanto, es importante la participación entusiasta de estudiantes y maestros en su realización. Por todas las razones que se han expuesto, es importante destacar que el(la) estudiante tiene responsabilidades para consigo mismo, con su familia, con su comunidad, con su país y con su planeta. Entre sus responsabilidades, se destaca la necesidad de conocer, restablecer, conservar y proteger la naturaleza y el ambiente, en general. Figura 35. A las(os) estudiantes les gusta participar en actividades que permitan regenerar y preservar su ambiente. 3.17 HISTORIA DE LA CIENCIA Corresponde a la sesión de GA 3.38 INVESTIGADORES EN EL CAMPO DE LA GENÉTICA El ser humano ha aplicado las leyes de la herencia desde tiempos remotos. Esto se evidencia cuando los granjeros, en épocas antiguas, escogían las semillas de las mejores plantas para obtener nuevas cosechas, o el mejor perro para cruzar a su perra y así lograr unos mejores ejemplares. Uno de los primeros científicos que se preguntó acerca de esta cuestión fue Hipócrates (460-377 a. de C). Él propuso que ciertas semillas contenidas en los padres, en todo su cuerpo, se transmitían a los hijos; de esta manera los descendientes presentaban rasgos físicos similares a los de sus padres. 123 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Aristóteles (384-322 a. de C.) observó que los descendientes de una pareja tenían características similares a sus abuelos. Argumentó entonces que lo planteado por Hipócrates no era cierto; dijo que el semen del hombre estaba formado por ingredientes mezclados de manera imperfecta, algunos de los cuales se habían heredado en generaciones pasadas. Durante la fecundación, el semen masculino se mezclaba con el semen femenino (sangrado menstrual) dándole forma y potencia a la sustancia amorfa. Sin embargo, las investigaciones de Mendel son fundamentales en la genética moderna. Gregor Johann Mendel (1822-1884), monje austríaco, que nació en el seno de una familia campesina; ingresó en el monasterio de los agustinos de Brünn, reputado centro de estudio y trabajo científico. En la escuela técnica de Brünn, cuando era docente suplente, se dedicó en forma activa a investigar la variedad, herencia y evolución de unas plantas de un jardín del monasterio destinado a sus experimentos. Entre 1856 y 1863, cultivó e investigó al menos 28 000 plantas de guisante o arveja; analizando siete características de la semilla y la planta, obtuvo datos estadísticos. Los resultados de este estudio dieron origen a dos principios que, en la actualidad, se conocen como las leyes de la herencia. Sus observaciones lo llevaron a determinar dos conceptos fundamentales para la genética, que se conocen en nuestros días como carácter dominante y carácter recesivo. Mendel publicó su obra más importante sobre la herencia en 1866, pero ésta no tuvo trascendencia alguna en los siguientes treinta y cuatro años. Sólo obtuvo el debido reconocimiento en 1900, cuando tres científicos europeos corroboraron de manera independiente las conclusiones de Mendel. Uno de los investigadores fue el botánico holandés Hugo de Vries, y sólo a finales de la década de 1920 y comienzos de 1930, se comprendió el verdadero alcance de Mendel, en lo que se refiere a la teoría evolutiva. Los posteriores experimentos de Mendel con vellosilla Hieracium no se concluyeron por atender otras obligaciones, hacía 1870 había abandonado sus experimentos sobre la herencia. Murió el 6 de enero de 1884 en Brünn. La comunidad científica lo reconoce como la persona que realizó los primeros experimentos y descubrimientos en genética. Se le conoce hoy en día como el padre de la genética. CONCEPTOS BÁSICOS 124 Capítulo 4 ESTRUCTURA Y FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS SISTEMA NERVIOSO Y ENDOCRINO Los animales, las plantas y los seres humanos responden de manera rápida y coordinada, ante los cambios que se dan en el ambiente. Esto lo hacen gracias a la presencia en sus órganos receptores de estímulos, que trabajan de la mano con un sistema conductor, el cual transmite la información percibida hacia unas estructuras especializadas para el desarrollo de las respuestas. Dicho sistema conductor es lo que constituye el sistema nervioso. El sistema nervioso es uno de los sistemas de comunicación que poseen los seres vivos; el otro sistema de comunicación es el sistema endocrino, el cual regula las funciones del cuerpo por medio de unas sustancias químicas llamadas hormonas. Durante el desarrollo del capítulo, se podrá apreciar que existe una estrecha relación entre las actividades que desarrollan estos dos sistemas. La piel está llena de neofibrillas que después se reúnen en un haz para formar la fibra nerviosa sensitiva, fibra que al llegar al glánglio se descompone en sus neurofibrillas primitivas.... APATHY 125 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 4.1 FUNCIÓN NERVIOSA Corresponde a las sesiones de GA 4.44 ¡ESTÍMULOS Y COORDINACIÓN! Y 4.45 (36.2) ¡QUÉ NERVIOS! Una característica muy importante de los seres vivos es su capacidad de respuesta a los estímulos del medio. Los estímulos son cualquier cambio en el medio externo e interno capaz de producir una reacción en un organismo. Los estímulos son conducidos a través de un sistema complejo de neuronas. La reacción que se genera en el ser vivo –como consecuencia de los estímulos– se denomina irritabilidad; todos los seres vivos responden a diversos estímulos, como cambios de temperatura, luz, sonido, presencia de sustancias químicas, etc. Los animales, para llevar a cabo dicho proceso de respuesta, emplean un sistema nervioso. La ruta tomada por estos impulsos determina qué respuesta se produce. El sistema nervioso tiene por función captar la información del exterior o del interior, procesarla mediante la generación de señales eléctricas y dar una respuesta rápida. Se cree que todas las células vivas son capaces de percibir estímulos. Por ejemplo, si se pincha a una amiba con un alfiler, ella responde ante el estímulo, la actividad eléctrica percibida en élla es semejante al impulso nervioso que se produce en los animales y el ser humano. El sistema nervioso no es igual en todos los organismos animales. Algunos ejemplos de esta diversidad se exponen a continuación. Fibrillas nerviosas Cilios Figura 1. En una sola célula pueden existir fibrillas nerviosas, como es el caso de Paramecium. CONCEPTOS BÁSICOS 126 Sistema nervioso difuso Los organismos como la hidra poseen un sistema nervioso difuso, en forma de una red de “hilos” constituidos por células nerviosas que se extienden por todo el organismo. Al recibir un estímulo intenso y duradero, los impulsos se difunden y todo el individuo reacciona al mismo tiempo. red nerviosa Célula nerviosa (neurona) Figura 2. La hidra tiene un sistema nervioso difuso. Sistema nervioso ganglionar En organismos como la planaria se presenta un sistema nervioso ganglionar, el cual se caracteriza por poseer un ganglio o abultamiento formado por células nerviosas. cerebro cordón nervioso Figura 3. Sistema nervioso ganglionar en la planaria. Sistema nervioso tubular Algunos animales como la rana, cuentan con un cordón nervioso en forma de tubo, situado sobre su aparato digestivo. A este caso, se le conoce como sistema nervioso tubular. Figura 4. Sistema nervioso tubular en la rana. 127 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Sistema nervioso central y periférico Cerebro Cordón nervioso ventral Ganglio Existen organismos que presentan un sistema nervioso más complejo que los anteriores; su principal característica es poseer una serie de estructuras que se dividen en un sistema nervioso central y otro periférico. Sin embargo, no todos tienen el mismo nivel de complejidad. Algunos anélidos, como la lombriz de tierra, poseen un cerebro en posición dorsal y un cordón nervioso ventral, ambos denominados sistema nervioso central, y nervios principales con sus ramificaciones, conocidos como sistema nervioso periférico. Figura 5. Sistema nervioso de la lombriz de tierra. Los insectos presentan un sistema nervioso constituido por un cerebro y un cordón nervioso central conformado por una cadena de ganglios que actúan localmente; es decir, tienen influencia sólo sobre la región en que se encuentran. Cerebro Ojo Ganglio ventral Cordón nervioso ventral Figura 6. Sistema nervioso ganglionar de la abeja. Por ejemplo, cuando a los saltamontes se les corta la cabeza, éstos pueden seguir saltando; cuando a una mosca se le desprende la cabeza, su tórax y abdomen pueden seguir volando o, al menos mover las alas y caminar; sin embargo, después de un rato muere. Cerebro Tubo digestivo Cordón nervioso ventral Figura 7. Sistema nervioso de un saltamontes. CONCEPTOS BÁSICOS 128 En el caso de los mamíferos, el sistema nervioso es más complejo, ya que intervienen estructuras como el cerebro, el cerebelo y la médula espinal, que juntos conforman el sistema nervioso central, y ganglios y nervios que constituyen el sistema nervioso periférico. b a d c Figura 8. Cerebro de vertebrados: a) pez, b) rana, c) pollo, d) musaraña. Ambos sistemas nerviosos –el central y el periférico– son inseparables y trabajan coordinadamente en el control de todas las funciones. A excepción de las esponjas, todos los animales y el ser humano poseen células especializadas para la conducción de los impulsos nerviosos. A estas células, se les denominan neuronas. Las plantas se distinguen de los animales en que no poseen sistema nervioso, es decir, no dan respuestas rápidas; sin embargo, presentan movimientos rápidos. Un ejemplo de esto lo podemos apreciar cuando se tocan las hojas de la planta mimosa, éstas se cierran, el cambio se da debido a la pérdida súbita de turgencia en una masa especial de las células que conforman el parénquima situado hacia la base de cada foliolo. 4.2 NEURONA Corresponde a la sesión de GA 4.46 LA NEURONA ¿EL PUNTO DE PARTIDA? Las neuronas son los elementos básicos del sistema nervioso, se estima que existen entre 100 mil y 200 mil millones de neuronas sólo en el cerebro. Su función principal es conducir impulsos electroquímicos a través de una distancia considerable, y esto lo hace por medio de unas prolongaciones citoplasmáticas, filiformes, denominadas fibras nerviosas (axones). 129 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Aunque existen varias clases de neuronas, todas comparten una estructura básica similar. DENDRITA CUERPO CELULAR NÚCLEO OTERO DEL AXÓN AXÓN CÉLULA DE SCHWANN TERMINALES DEL AXÓN NUDO DE RANVIER ENVOLTURA DE MIELINA Como se observa en la figura, cada neurona cuenta con una serie de fibras en sus extremos, denominadas dendritas, las cuales tienen la función de recibir los mensajes provenientes de otras neuronas. En el extremo opuesto, tiene una extensión en forma de tubo, larga y delgada, que recibe el nombre de axón, cuya función es transportar mensajes destinados a otras células. Aunque la mayoría de los axones tienen una longitud de varios milímetros, algunos pueden alcanzar 90 centímetros de longitud. El axón se origina a partir de un cuerpo celular, el cual encierra el núcleo de la célula. Figura 9. Principales partes de la neurona. La mayoría de los axones se encuentran recubiertos de una capa grasosa brillante denominada envoltura de mielina, la cual constituye una prolongación de las células de Schwann que rodean al axón. La unión entre dos células de Schwann recibe el nombre de nudo de Ranvier, el cual se cree que interviene en la propagación del impulso nervioso. Las neuronas se pueden clasificar, tanto desde el punto de vista funcional como estructural, en: • Neuronas sensoriales: en este grupo encontramos desde las neuronas que reciben diferentes tipos de estímulos, hasta las que hacen parte del sistema nervioso central. Los impulsos nerviosos pasan de los receptores hasta este tipo de neuronas. Los cuerpos celulares de estas neuronas se ubican en forma de conglomerados junto a la médula espinal. • Neuronas asociadas: se encuentran ubicadas de manera exclusiva en la médula espinal y el encéfalo. Ellas son las que permiten que se lleve a cabo un sinnúmero de circuitos para la conducción nerviosa. Las neuronas asociadas se estimulan a través de los impulsos procedentes de las neuronas sensoriales o de otras neuronas asociadas. • Neuronas motoras: son las encargadas de transmitir los impulsos nerviosos que vienen del sistema nervioso central hacia los músculos y glándulas, para que éstos ejecuten la respuesta coordinada del cuerpo. CONCEPTOS BÁSICOS 130 El impulso nervioso Las neuronas responden a la ley del todo o nada, es decir, que están en reposo (no excitadas) o que están activas (excitadas). Si pinchamos una neurona con un microelectrodo, descubrimos que el interior de la neurona está cargado negativamente con respecto a la superficie exterior. La magnitud de esta carga es aproximadamente de setenta milivoltios (70 mV). Cuando llega un mensaje a las neuronas, las paredes celulares de éstas permiten el paso en grandes cantidades de iones cargados positivamente, lo cual provoca el cambio de carga ( - a + ) dentro de la célula. Cuando la carga positiva llega a un nivel crítico, se acciona el impulso nervioso eléctrico (denominado potencial de acción), entonces viaja a través de la célula. Todo el proceso anteriormente descrito sucede en milésimas de segundos. Aunque no hay diferencias de fuerza o velocidad con la que se mueve un impulso a través de una neurona, sí existe una variación en la frecuencia de los impulsos. Esto es lo que nos permite diferenciar, por ejemplo, entre el cosquilleo que produce el roce de una pluma por la cara, al peso que se siente cuando una persona pisa los dedos de los pies de otra. Sinapsis Los puntos en los cuales los terminales del axón de una neurona se ponen en contacto con otras neuronas se denominan sinapsis. Cada terminal del axón se dilata para formar el llamado bulbo sináptico, cuando el impulso nervioso llega al extremo del axón, éste descarga la sustancia química, que recibe el nombre de neurotransmisor, la más común es la Acetilcolina o ACH, que se encuentra en todo el sistema nervioso y se encarga de transmitir los mensajes relacionados con los músculos esqueléticos. Entre otras sustancias neurotransmisoras, encontramos: el ácido gammaaminobutírico o GABA, el trifosfato de Adenosina o ATP, entre otras. NEURONA PRESINÁPTICA VESÍCULAS SINÁPTICAS RECEPTOR MEMBRANA PLASMÁTICA POSTSINÁPTICA Figura 10. Ubicación de la sinapsis en las neuronas. 131 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL El Arco reflejo Si la neurona es la unidad estructural del sistema nervioso, en el ser humano el arco reflejo es la unidad funcional. Una forma de ilustrar este proceso es mediante el análisis de lo que sucede cuando se toca una estufa caliente y de inmediato se retira la mano, el reflejo de retirada se da debido a que los receptores de la piel captan el estímulo, lo cual lleva a que se inicien impulsos nerviosos en las neuronas sensoriales, que luego pasan a la médula espinal, de ahí originan impulsos en una o más neuronas asociadas y éstas, a su vez, originan impulsos en las neuronas motoras respectivas. Cuando estos impulsos alcanzan los músculos, éstos (los músculos flexores de las manos) se contraen, que es lo que finalmente produce la retracción de la mano. 4.3 SISTEMA NERVIOSO EN EL SER HUMANO Corresponde a la sesión de GA 4.47 CONEXIONES Y ESTRUCTURAS EN NUESTRO CUERPO Como se puede observar en el organizador gráfico, el sistema nervioso se divide en dos partes: una parte la compone el sistema nervioso central, compuesto por el encéfalo y la médula espinal; la otra parte la conforma el sistema nervioso periférico, que surge a partir del cerebro y la médula espinal, el cual se ramifica y llega hasta los extremos del cuerpo. SISTEMA NERVIOSO SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO SISTEMA SOMÁTICO SISTEMA NERVIOSO CENTRAL SISTEMA AUTÓNOMO SIMPÁTICO CEREBRO MÉDULA ESPINAL PARASIMPÁTICO Figura 11. Organizador gráfico de las partes principales del sistema nervioso. Sistema nervioso central Como se dijo anteriormente, el sistema nervioso central, está formado principalmente por la médula espinal y el encéfalo. CONCEPTOS BÁSICOS 132 Médula espinal La médula espinal del sistema nervioso central es un conjunto de nervios que salen del cerebro y corren a lo largo de la columna vertebral. Por medio de ella, se hace la transmisión de mensajes entre el cerebro y el cuerpo; pero también por sí sola controla algunas clases sencillas de comportamiento. En la parte interna de la médula, se encuentra la materia gris, que es el centro de los movimientos reflejos; en la parte externa se encuentra la materia blanca, que tiene función conductora. De la médula, parten 31 pares de nervios que se comunican con diferentes partes del cuerpo, éstos hacen parte del sistema nervioso periférico. Tanto la médula como el encéfalo están cubiertos por unas membranas que los protegen y alimentan, llamadas meninges; entre las membranas existe una sustancia acuosa, el líquido cefalorraquídeo, el cual sirve de amortiguador cuando hay golpes. Además, tanto la médula y como el encéfalo están protegidos por huesos, la primera, por las vértebras y el segundo, por el cráneo. SENSACIONES CONSCIENTES Materia blanca Materia gris CONTROL MOTOR VOLUNTARIO FISURA DE ROLANDO Raíz sensorial Ganglio de la raíz motora Médula espinal Raíz motora Nervio espinal PERSONALIDAD LÓBULO FRONTAL LÓBULO OCCIPITAL Vértebra HABLA OÍDO VISIÓN Disco intervertebral LÓBULO TEMPORAL Ganglio simpático CEREBELO Figura 12. Sistema nervioso central, conformado por el cerebro y la médula espinal. Encéfalo El encéfalo está ubicado en la caja craneal, formado por el cerebro, el tálamo, la protuberancia anular o puente de Varolio, el cerebelo y el bulbo raquídeo. Contiene aproximadamente 35 mil millones de neuronas. Recibe impulsos nerviosos de la médula espinal y los nervios craneales, entre los cuales encontramos el nervio óptico, el nervio olfatorio, entre otros. 133 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL MENINGES LÓBULO PARIETAL CEREBRO FLUIDO CEFALORRAQUÍDEO LÓBULO FRONTAL VENTRÍCULO HIPOTÁLAMO LÓBULO OCCIPITAL BULBO OLFATORIO PITUITARIA TÁLAMO GLÁNDULA PINEAL PUENTE CEREBELO FORMACIÓN RETICULAR MÉDULA OBLONGADA Figura 13. Partes del encéfalo. El cerebro es la parte más notoria del encéfalo, se considera el centro de las funciones del sistema nervioso. Se encuentra dividido en dos hemisferios, unidos por una sustancia blanca llamada cuerpo calloso. El tálamo tiene como función procesar los impulsos sensoriales, antes de distribuirlos a respectivas partes del cuerpo; mientras que el hipotálamo controla los centros para las sensaciones de sed, hambre, temperatura, equilibrio de sal y agua, etc. Otras partes importantes que hacen parte del encéfalo son: la protuberancia anular, la cual se encarga de conducir impulsos nerviosos de uno a otro de los hemisferios cerebrales; el cerebelo, está localizado debajo y detrás del cerebro, entre sus funciones está la coordinación de músculos, el equilibrio y el movimiento; el bulbo raquídeo, se encuentra debajo del cerebelo, su función es controlar los procesos vitales como la respiración, la circulación y los procesos digestivos, además es el centro de actos reflejos como el vómito y la tos. Localizaciones cerebrales La superficie de los hemisferios cerebrales no es lisa, presenta numerosas entrantes y salientes que le dan aspecto ondulado. No todas las entrantes presentan la misma profundidad, las más profundas denominadas cisuras, dividen los hemisferios en lóbulos y, otras, superficiales, llamadas surcos, dividen los lóbulos en circunvoluciones. Los lóbulos son cuatro, sus denominaciones dependen del hueso de cráneo con el cual se ponen en contacto. Por eso, tenemos: en la parte anterior, el lóbulo frontal, con tres circunvoluciones; en la posterior, el lóbulo occipital, con tres circunvoluciones; en la CONCEPTOS BÁSICOS 134 parte intermedia superior, el lóbulo parietal, con cinco circunvoluciones, y en la intermedia inferior, el lóbulo temporal, con tres circunvoluciones. El conocimiento que aún se tiene del cerebro es incompleto, pero se ha logrado hacer la localización de algunas funciones en la corteza cerebral, por ejemplo: el centro de la palabra hablada o del lenguaje articulado se localiza en la tercera circunvolución frontal. Las lesiones en este centro impedirán la articulación de los sonidos y la persona no podrá articular el lenguaje, aunque sí emitirá sonidos, estará en las mismas condiciones que si intentara hablar un idioma desconocido. El centro de la palabra escrita o de la escritura se localiza en la segunda circunvolución frontal. Las lesiones en este centro impedirán escribir, se olvidará la escritura como si también se tratara de un idioma desconocido. El centro de la visión se localiza en la parte posterior del lóbulo occipital. Las lesiones en este centro pueden ocasionar la ceguera total o parcial. El centro de la audición se localiza en la primera circunvolución temporal. Las lesiones en este centro pueden ocasionar sordera total o parcial, o permitir que se oiga, pero no se entiende ni se puede interpretar lo que se escucha. Igualmente, en la tercera circunvolución frontal se encuentra la zona olfativa; en la primera circunvolución temporal está el área gustativa, las lesiones en estos centros, determinan trastornos o pérdida de las funciones orgánicas correspondientes. Sistema nervioso periférico El sistema nervioso periférico abarca todas las partes del sistema nervioso con excepción del cerebro y la médula espinal. Este sistema se divide en sistema somático y sistema autónomo; éstos se comunican con el sistema nervioso central a través de los órganos de los sentidos, los músculos, las glándulas y otros órganos. El sistema nervioso somático controla los movimientos voluntarios, como por ejemplo, el recorrido que hacen los ojos al observar un partido de tenis. El sistema nervioso autónomo se relaciona con los nervios periféricos que no están bajo el control de la mente consciente, entre ellos podemos mencionar, las contracciones del músculo cardiaco, el movimiento de algunos órganos del sistema digestivo, entre otros. El sistema nervioso autónomo se divide en sistema nervioso simpático y sistema nervioso parasimpático. Los dos actúan sobre casi todos los órganos del cuerpo. El primer sistema prepara el cuerpo durante situaciones de tensión y de emergencia, el segundo actúa para calmar el cuerpo después de resolver la situación de emergencia. 135 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 14. Sistema nervioso autónomo. A continuación, se presenta un cuadro sobre algunas de las acciones donde actúan las dos partes del sistema nervioso autónomo: ÓRGANO SISTEMA SIMPÁTICO SISTEMA PARASIMPÁTICO Ojo (iris) Dilata las pupilas Contrae las pupilas Glándulas salivales Inhibe la salivación Incrementa la salivación Corazón Aumenta el ritmo cardiaco Disminuye el ritmo cardiaco Sistema digestivo Disminuye la actividad digestiva Estimula la actividad digestiva CONCEPTOS BÁSICOS 136 4.4 ENFERMEDADES DEL SISTEMA NERVIOSO Corresponde a la sesión de GA 4.48 AFECCIONES Y MALESTARES EN LOS NERVIOS Entre las principales enfermedades que afectan el sistema nervioso, se encuentran: La epilepsia, esta enfermedad se presenta cuando las descargas eléctricas de las células cerebrales se desorganizan y se suceden de manera incontrolada. Los casos severos de epilepsia llevan consigo convulsiones o contracciones violentas de los músculos esqueléticos. Esta enfermedad se controla medicinalmente. La enfermedad de Parkinson causa contracciones de los músculos, que producen temblores incontrolables. Se presenta en personas de edad avanzada. El mal de Alzheimer es una enfermedad progresiva e incurable, uno de los síntomas es pérdida de la memoria, luego se presentan confusiones, acompañada de alucinaciones hasta la demencia, en la que la persona pierde toda habilidad para llevar una vida normal. Las drogas como la marihuana, la dietilamina del ácido lisérgico (LSD), la heroína, la cocaína y el bazuco pueden provocar efectos devastadores en el sistema nervioso, puesto que se unen a los receptores y alteran el funcionamiento normal del cerebro. La marihuana y el LSD provocan alucinaciones, éstas pueden ser de tipo agradable o terrorífico, además el LSD causa alteraciones en los cromosomas. La heroína es una sustancia depresora, disminuye la acción de los reflejos. Finalmente, la cocaína y el bazuco son sustancias estimulantes que producen agitación. 4.5 ÓRGANOS SENSORIALES (LOS CINCO SENTIDOS) Corresponde a las sesiones de GA 4.49 SENSACIÓN y 4.50 PERCEPCIÓN Los órganos sensoriales relacionan a los organismos con el mundo exterior y les permiten recibir información sobre su ambiente. Un órgano sensorial es una estructura especializada consistente en una o más células receptoras y, algunas veces células accesorias. Los distintos órganos detectan cambios en el ambiente y transmiten esa información al sistema nervioso. Se ha dicho que el ser humano tiene cinco sentidos: tacto, olfato, gusto, vista y oído. Ahora se reconoce al equilibrio como un sentido, y el tacto es un sentido combinado en el que participa la detección de presión, la del dolor y la de la temperatura. Los órganos sensoriales se pueden clasificar conforme a estímulos a los cuales reaccionan. Los mecanorreceptores reaccionan (responden) a energía mecánica: contacto, presión, gravedad, estiramiento y movimiento. Los quimiorreceptores reaccionan a determinados estímulos químicos, y los fotorreceptores detectan energía luminosa. 137 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Órganos sensoriales mecanorreceptores Estos órganos reaccionan a contacto, presión, gravedad, estiramiento o movimiento. En el ser humano, está ubicado aquí el equilibrio y la audición. El oído En él pueden diferenciarse tres regiones: el oído externo, el oído medio y el oído interno. EXTERNO MEDIO INTERNO CARTÍLAGO PABELLÓN DE LA OREJA VENTANA OVAL CONDUCTOS SEMICIRCULARES VENTANA REDONDA CONDUCTO ENDOLINFÁTICO CERUMEN CARACOL UTRÍCULO TÍMPANO PELOS GLÁNDULA CERUMINOSA CONDUCTO AUDITIVO EXTERNO NERVIO AUDITIVO SÁCULO VESTÍBULO YUNQUE TROMPA DE EUSTAQUIO MARTILLO ESTRIBO Figura 15. Estructura del oído humano. El oído externo está formado por el pabellón de la oreja y el conducto auditivo externo. El pabellón es un repliegue formado casi completamente por cartílago, cubierto por piel y adherido al cráneo, en su centro se encuentra una depresión (concha) que se continúa con el conducto auditivo. El conducto auditivo externo se extiende desde la concha hasta una membrana llamada tímpano. A la entrada del conducto auditivo, encontramos pelos cortos y gruesos y en la piel de su interior hay glándulas sebáceas y ceruminosas, las cuales segregan un líquido espeso y oscuro que se solidifica, llamado cerumen. El oído medio, llamado también caja timpánica, es una pequeña cavidad llena de aire labrada en el hueso temporal. La pared externa está formada por el tímpano, que separa el oído externo del oído medio. Al tímpano está adherido el primero de los huesecillos del oído, el martillo. La pared interna es ósea y presenta dos aberturas cerradas por membranas: la ventana oval y la ventana redonda. El último de los huesos de la cadena, el estribo, está adherido a la membrana de la ventana oval. CONCEPTOS BÁSICOS 138 MARTILLO YUNQUE VENTANA OVAL La trompa de Eustaquio es un conducto que comunica el oído medio con la nasofaringe. A cada movimiento de deglución, se abre la trompa de Eustaquio y deja pasar aire al oído medio. La cadena de huesecillos la forman el martillo, el yunque y el estribo. El oído interno se encuentra en una excavación del hueso temporal. Debido a su complejidad, se le ha dado el nombre de laberinto. Se deben considerar dos tipos de laberintos: el óseo y el membranoso. En el laberinto óseo, enconTÍMPANO ESTRIBO tramos tres partes principales: el vestíbulo, los conductos semicirculares y el caracol. En el interior del laberinto óseo, Figura 16. Oído medio o se encuentra el laberinto membranoso, el cual contiene un caja timpánica. líquido llamado endolinfa y al separar el laberinto óseo del membranoso, se encuentra otro líquido, la perilinfa. En el interior del laberinto membranoso, hay dos cavidades, el sáculo y el utrículo. VENTANA REDONDA CONDUCTOS SEMICIRCULARES CONDUCTOS SEMICIRCULARES UTRÍCULO SÁCULO VESTÍBULO CARACOL VESTÍBULO CARACOL Figura 17. Laberinto óseo y membranoso. Los conductos semicirculares del oído interno presentan una dilatación en uno de sus extremos, en esas dilataciones se encuentran las crestas auditivas y son las que se unen con el nervio auditivo. Finalmente, el caracol es un tubo enrollado, que se parece al caracol de los moluscos. El caracol está dividido en tres compartimentos: el central contiene endolinfa, los dos latera1 les están llenos de perilinfa y en ellos se encuentran 4 3 células con pestañas que forman el órgano de Corti. 5 Figura 18. Esquema simplificado del caracol: 1) y 2) perilinfa, 3) endolinfa, 4) membrana de Corti, 5) células que conforman el órgano de Corti y 6) fibras que se comunican con el nervio auditivo. 139 6 2 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Percepción del sonido El oído del mamífero es un órgano que contiene dos mecanorreceptores distintos; una de estas estructuras está formada por tres canales semicirculares interconectados que proveen información acerca de la orientación de la cabeza en el espacio. La otra estructura, el caracol (cóclea) es una cámara espiralada en la cual ocurren las respuestas sensoriales relacionadas con la audición. Las otras estructuras convierten las vibraciones del aire (ondas sonoras) en vibraciones del fluido contenido dentro del caracol. El sonido viaja a través del canal auditivo hacia la membrana timpánica (el tambor), en el cual inicia una vibración, que se transfiere a una serie de tres huesos muy pequeños y delicados del oído medio, llamados por su forma martillo, yunque y estribo. Las vibraciones de la membrana timpánica hacen que el estribo golpee suave y rápidamente la membrana que cubre la ventana oval, transmitiéndolas al caracol lleno de fluido, localizado en el oído interno. cráneo martillo yunque estribo canales semicirculares nervio auditivo canal central membrana tectorial células pilosas membrana basilar cóclea canal auditivo membrana externo timpánica pelos de las células pilosas inclinadas trompa de Eustaquio ventana oval ventana redonda vibraciones sonoras oído externo Figura 19. El caracol como órgano interno vinculado a la audición. El canal central contiene el órgano de Corti, que descansa sobre la membrana basilar del canal que, a su vez, contiene las células sensoriales individuales, las células ciliadas. El movimiento de las ondas de fluido, a lo largo de la superficie externa del canal central, origina vibraciones en la membrana basilar, que a su vez, provocan vibraciones. Las células ciliadas hacen sinapsis con neuronas sensoriales, los axones de estas neuronas forman el nervio auditivo, que enlaza el oído de una región del cerebro, conocida como núcleo coclear. En el núcleo coclear las neuronas del nervio auditivo hacen sinapsis con otras más, llevando finalmente la información a la región del cerebro asociada con la percepción consciente del sonido. CONCEPTOS BÁSICOS 140 Los seres humanos somos capaces de discriminaciones muy finas de sonido, estas discriminaciones son hechas por el cerebro sobre la base de señales transmitidas por las diferentes neuronas sensoriales con las que hacen sinapsis las diferentes células ciliadas. En general, el oído humano puede detectar sonidos que van de 16 a 20 000 ciclos por segundo, aunque los niños pueden escuchar hasta 25 000 ciclos por segundo. Desde la mitad de la vida en adelante, se pierde progresivamente la capacidad para oír las frecuencias más altas. Los perros pueden escuchar sonidos muy altos (40 000 ciclos por segundo) y los ratones chillan a 80 000 ciclos por segundo. Higiene y principales enfermedades del oído Los ruidos demasiado intensos pueden llegar a producir lesión en el tímpano. Cuando tenemos que permanecer en la cercanía de los lugares donde se producen tales ruidos, debemos proteger el conducto auditivo con una mota de algodón o usar aparatos especiales para amortiguar la intensidad de los ruidos. A veces, se forma en el conducto auditivo un tapón de cerumen que impide la audición. En esos casos, debe recurrirse al médico; resulta peligroso introducir en el conducto auditivo utensilios con los cuales se pueden producir lastimaduras e infecciones. Otitis Cualquiera de las partes que forman el oído puede inflamarse, a esa inflamación se le llama otitis, la cual es producida por una infección. A través de la trompa de Eustaquio pueden llegar al oído medio las infecciones que provienen de la faringe. Las afecciones del oído interno pueden ir acompañadas de vértigo, ya que en el oído interno se encuentran los conductos semicirculares que son los órganos que regulan el equilibrio. Sordera Llámase sordera a la dificultad o imposibilidad de percibir los sonidos, es natural que en edad avanzada se pierda la capacidad de audición. La sordera puede empezar a cualquier edad y, generalmente, es producida por infecciones del oído medio como consecuencia de otitis. En la actualidad, muchos sordos pueden beneficiarse con el uso de aparatos especiales (audífonos) que amplían la intensidad de las ondas sonoras y permiten, por tanto, oír mejor. El tacto El sentido del tacto se ubica en la piel, está formada por tres capas: la hipodermis la más profunda; la dermis, la intermedia, y la epidermis, la superficial. Por debajo de la dermis, se encuentra el tejido celular subcutáneo muy rico en grasa. La epidermis está formada por dos capas principales, la córnea y la mucosa. 141 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL En la piel encontramos: glándulas sudoríparas, glándulas sebáceas, vasos sanguíneos, nervios y folículos pilosos. Las glándulas sudoríparas están constituidas por unos tubos enrollados, que forman unas masas esferoidales en la dermis o en el tejido subcutáneo. El tubo atraviesa la dermis y la epidermis, donde se abre para formar un poro. Estas glándulas producen el sudor, se distribuyen por toda la piel y se ha calculado su número en unos dos millones. Las glándulas sebáceas se encuentran en la cara superficial de la piel, generalmente se abren en un folículo piloso. A la piel van a parar capilares y forman venas, los vasos sanguíneos que se detienen en la dermis, la epidermis está desprovista de éstos. En la piel encontramos nervios sensitivos, motores y secretorios, y finalmente los folículos pilosos son depresiones de la epidermis donde se alojan las raíces de los pelos. Los órganos mecanorreceptores de la piel detectan dolor, tacto y presión. Los receptores para el dolor son las dendritas de las neuronas sensoriales. Los receptores para el tacto son los llamados corpúsculos de Meissner. Los cambios de presión son detectados por los corpúsculos de Pacini, los cuales se ubican mucho más profundo en la piel que los del tacto. El que una persona pueda distinguir entre un toque leve en la piel y una presión fuerte se debe parcialmente a esto. La piel también contiene receptores separados para detectar calor y frío, los corpúsculos de Ruffini son los del calor, y los corpúsculos de Krause son los del frío. EPIDERMIS HIPODERMIS DERMIS Figura 20. Receptores del sentido del tacto: 1) Cerca de la superficie de la piel, las terminaciones nerviosas libres sienten dolor y calor, 2) Los corpúsculos de Pacini, en forma de bulbo, detectan la presión, 3) Los corpúsculos de Ruffini detectan el calor y la presión, 4) Los corpúsculos de Krause sienten el frío y 5) Los corpúsculos de Meissner son sensibles al tacto. CONCEPTOS BÁSICOS 142 Acné. Es una inflamación de las glándulas sebáceas, que en la mayoría de las ocasiones se inicia en la pubertad. Este trastorno es producido por la influencia de andrógenos que hacen crecer estas glándulas y aumentan la producción de sebo. Los andrógenos ováricos y suprarrenales también pueden estimular el acné. Se debe evitar exprimir, pinchar o rascar las lesiones. Cáncer en la piel. Se puede producir por exposición excesiva al sol. Existen tres formas comunes de cáncer cutáneo: el carcinoma de las células basales, carcinoma de células escamosas y los melanomas malignos. Órganos sensoriales fotorreceptores Entre los fotorreceptores más desarrollados se encuentran el ojo compuesto de los artrópodos y el ojo de los vertebrados (ojo humano). Figura 21. Ojo compuesto en la mosca. El ojo Por medio del sentido de la vista, se perciben las sensaciones luminosas. Los receptores del sentido de la vista se encuentran en los ojos, llamados también por su forma globos oculares, éstos son los órganos esenciales del sentido de la vista, además encontramos órganos anexos como las cejas, párpados, pestañas, aparato lagrimal y músculos motores del ojo. Los globos oculares se encuentran alojados y protegidos en unas cavidades llamadas órbitas, éstas están formadas por huesos del cráneo y de la cara, en cada órbita se encuentran los músculos motores del ojo y cierta cantidad de tejido adiposo, que sirve de acolchonamiento. En el fondo de cada órbita se encuentra el orificio óptico, por el cual pasa el nervio óptico, encargado de transmitir al cerebro las impresiones luminosas. 143 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Conjuntiva Retina Córnea Coroides Humor acuoso Esclerótica Humor vítreo Conducto hialoideo Pupila Nervio óptico Iris Cristalino Punto ciego Procesos ciliares Músculo Músculos ciliares Figura 22. El globo ocular y sus órganos anexos. El globo ocular está formado por tres membranas concéntricas: esclerótica, coroides y retina, y por cuatro medios transparentes: córnea, humor acuoso, cristalino y cuerpo vítreo. La esclerótica es la más externa de las membranas del ojo, es de color blanco azulado, en ella se insertan los músculos motores del ojo. La coroides es la membrana intermedia del ojo, es vascularizada y pigmentada, por delante de ella se encuentra una membrana de color variable llamada iris, que presenta en su centro una abertura circular llamada pupila. 1 2 3 Figura 23. Ojo visto de frente: 1) esclerótica, 2) iris y 3) pupila. La pupila es una abertura de tamaño variable. El iris está formado por fibras circulares y fibras radiales. La contracción de las fibras circulares disminuye el tamaño de la pupila y la contracción de las fibras radiales la agranda. a b Figura 24. Estructura muscular del iris: a) pupila contraída y b) pupila dilatada. CONCEPTOS BÁSICOS 144 La retina es la más interna de las membranas y la más importante debido a su sensibilidad luminosa, es una membrana muy fina que tapiza la cara interna de la coroides sin adherirse a ella. La córnea es la primera parte del globo ocular que atraviesa la luz. El cristalino es un órgano en forma de lente biconvexa (lente de aumento), que divide la cavidad del ojo en dos compartimentos: uno anterior, formado por las cámaras del ojo, y otro posterior, ocupado por el cuerpo vítreo. El cristalino está formado por una cámara transparente llamada cristaloides, en el interior de la cual se encuentra una sustancia fibrosa y transparente. La enfermedad conocida con el nombre de catarata es la opacidad del cristalino, la catarata puede formarse por algún traumatismo o por vejez, al hacerse opaco el cristalino no deja pasar los rayos luminosos e impide la visión del ojo afectado. El humor acuoso es un líquido de aspecto parecido al del agua, que ocupa ambas cámaras del ojo. El cuerpo vítreo ocupa el compartimento posterior del ojo, limitado por delante con el cristalino y por detrás con la retina. El cuerpo vítreo se compone de una membrana envolvente, llamada hialoides, y por un líquido que ocupa su interior, denominado humor vítreo. Entre los órganos anexos al ojo, encontramos las cejas, que son unos pelos cortos y gruesos colocados en varias filas que forman un arco en la piel, que recubre el borde superior de la órbita. Los párpados son unos repliegues cutáneos recubiertos por detrás por una membrana mucosa llamada conjuntiva. Los párpados son dos, uno superior y otro inferior y están colocados por delante de la órbita. Las pestañas son unos pelos cortos y gruesos que se encuentran en el borde de los párpados. El aparato lagrimal, en la parte superior y externa de cada órbita, en él se encuentra la glándula lagrimal; ésta segrega las lágrimas, que son un líquido formado principalmente por agua, cloruro de sodio y albúmina. Los músculos motores del ojo son seis, cuatro rectos y dos oblicuos, todos ellos se insertan en la esclerótica, su contracción mueve el globo ocular y lo orienta en distintas direcciones. GLÁNDULA LAGRIMAL OBLICUO MAYOR RECTO SUPERIOR RECTO INTERNO CONDUCTO LAGRIMAL RECTO EXTERNO SACO LAGRIMAL CONDUCTO NASAL OBLICUO MENOR RECTO INFERIOR Figura 25. Aparato lagrimal y músculos motores del ojo. 145 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL El tipo de ojo de los vertebrados suele llamarse ojo en cámara fotográfica, la luz del objeto que está siendo vista pasa a través de la córnea y el cristalino transparente, éste enfoca una imagen invertida del objeto sobre la retina sensible a la luz situada en la parte posterior del globo ocular. IRIS CRISTALINO RETINA COROIDES ESCLERÓTICA PELÍCULA DIAFRAGMA PINTURA CUBIERTA EXTERIOR LENTE Figura 26. Corte del globo ocular y corte de la cámara fotográfica. En los mamíferos, el enfoque fino de la imagen en la retina se lleva a cabo por la contracción o relajación de los músculos ciliados, que cambian de esta forma la curvatura y, por tanto, la longitud focal del cristalino. El enfoque preliminar es hecho por la córnea y el enfoque fino por el cristalino. El cristalino se mantiene en posición por ligamentos suspensores unidos al cuerpo ciliar, que es el músculo de acomodación. En la siguiente figura, podemos apreciar que el ojo normal a), ve objetos distantes con el cristalino estirado y aplanado; para ver objetos cercanos el cristalino se relaja y se vuelve más convexo b), de manera que los rayos luminosos puedan llegar a la retina. A esta propiedad del cristalino, se le denomina acomodación. a b objeto distante, lente delgada objeto cercano, lente gruesa retina CONCEPTOS BÁSICOS 146 Figura 27. Enfoque del ojo. La retina del ojo de los vertebrados contiene las células fotorreceptoras que captan la energía lumínica y comienza el proceso de traducción, estas células son de dos tipos: los bastones, responsables de la visión en blanco y negro, y los conos, de la visión en color. BASTONES CÉLULAS PIGMENTARIAS NERVIO ÓPTICO CONOS CÉLULAS BIPOLARES CÉLULAS GANGLIONARES PUNTO CIEGO Figura 28. Retina del ojo de los vertebrados. Las células fotorreceptoras se comunican por medio de neuronas interpuestas con las células ganglionares, cuyos axones forman el nervio óptico. Cuando la luz es capturada por las células fotorreceptoras, ocurre una polaridad de la membrana, este cambio influye sobre la liberación de neurotransmisores; los axones de las células ganglionares de toda la retina llegan a la parte posterior del globo ocular y forman un haz semejante a un cable, para constituir el nervio óptico, que conecta la retina con el cerebro. El área de retina, en la cual se forma la imagen más definida, se conoce como la fóvea, mancha amarilla o mácula. Pigmentos visuales y la captura de la luz Tanto los bastones como los conos contienen compuestos sensibles a la luz –pigmentos visuales– localizados en una serie de membranas apiladas confinadas a una porción de célula. Los pigmentos consisten en una proteína llamada opsina y un carotenoide llamado retinol que deriva de la vitamina A. La visión del color, en los seres humanos, depende de la presencia de tres tipos de diferentes conos, cada uno de los cuales contiene uno de los tres pigmentos visuales con una sensibilidad máxima a las longitudes de onda de los colores. La luz visible es sólo una pequeña porción del amplio espectro electromagnético; para el ojo humano el espectro visible va desde la luz violeta, constituida por ondas de luz comparativamente cortas, hasta la luz roja, la más larga visible para nosotros. 147 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Ilusiones ópticas A veces, las informaciones que nos suministra el sentido de la vista no son exactas. El paralelismo de dos líneas relativamente próximas es generalmente fácil de apreciar. Sin embargo, cuando las paralelas están cruzadas por líneas oblicuas en distintos sentidos como se observa en la figura a), tenemos la sensación de que las paralelas son convergentes por uno de sus extremos. Basta comprobarlo con una regla graduada o un compás y veremos que son paralelas. La figura b) nos muestra cómo influye, en la apreciación de la longitud de una línea, que tracemos en sus extremos rayas oblicuas. La línea A-C está dividida en B en dos mitades. Sin embargo, la porción A-B parece mucho menor que la porción B-C, porque en esta última la mirada es arrastrada, por así decirlo, en la dirección de las rayas oblicuas, mientras que en A-B es detenida bruscamente. Si dos superficies cuadradas las dividimos con líneas paralelas horizontales, en un caso, y verticales en el otro (figura c), nos parece que el espacio rayado es un cuadrilongo cuya dimensión menor corresponde a la dirección de las líneas. Este efecto óptico es utilizado para atenuar la constitución de la figura humana. Las telas de rayas verticales hacen aparecer menos gruesas a las personas de gran corpulencia y las líneas horizontales o los cuadrados hacen aparecer más corpulentas a las personas delgadas. a A B C B A b c Figura 29.Tipos de ilusiones ópticas. Enfermedades de los ojos Cataratas. Es una opacidad del cristalino que altera la visión. El cristalino es un órgano encapsulado, formado por capas de fibras concéntricas con un núcleo en la parte más interna del ojo, el cual contiene las células más viejas y de muy poca actividad metabólica. CONCEPTOS BÁSICOS 148 Cuando algún factor altera el metabolismo, las células viejas se empiezan a acumular en el interior del cristalino, produciendo opacidades y disminuyendo su elasticidad. La función del cristalino es la de una lente encargada de dirigir los rayos luminosos a la fóvea de la retina, y, por lo tanto, cualquier opacidad produce la dispersión de la luz y disminuye la agudeza visual, hasta la imposibilidad de la captación de las imágenes y la completa visión. Conjuntivitis. Es la irritación, dolor y enrojecimiento de la conjuntiva, que es un tejido vascularizado a través del cual se alimentan las estructuras adyacentes del órgano visual. La buena higiene tanto de manos y uñas; el uso exclusivo de las toallas; no dormir con personas que tienen infección conjuntival ni usar sus almohadas, fundas o sábanas; y no llevarse las manos sucias a los ojos son muy efectivas medidas de prevención de las conjuntivitis infecciosas. El uso de gafas y caretas de protección son indispensables tanto para actividades laborales como para la natación, por ejemplo, para proteger los ojos de traumas y estímulos alérgicos, así como también de infecciones. Glaucoma. Cuando la presión dentro de las cámaras posterior y anterior del ojo se eleva, ya sea por causa de un aumento de producción de humor acuoso, que es el encargado de llevar los elementos nutritivos y el oxígeno a la córnea y al cristalino, o por alguna obstrucción que no permita su libre circulación, se dice que hay glaucoma. Es la segunda causa de ceguera, y una de cada 50 personas mayores de 35 años sufre de glaucoma, aunque es más frecuente en quienes pasan de 50 años. Astigmatismo. Cuando se presenta la enfermedad, debida a la curvatura asimétrica de la córnea y del cristalino, se desvían los rayos luminosos produciéndose imágenes deformadas y, por lo tanto, visión borrosa. Se trata de un mal congénito, con un alto porcentaje de contenido hereditario. Se corrige con lentes cilíndricos. Desprendimiento de retina. Es el levantamiento de la retina de la capa vascular sobre la que se halla colocada, y que puede ser causa de ceguera. La retina convierte los rayos luminosos en impulsos nerviosos para llevarlos como información al cerebro y poder ver. Se le clasifica más como secuela, que como enfermedad. Hipermetropía. Consiste en un acortamiento del eje antero-posterior del ojo o en una pérdida grande en la convexidad del cristalino, lo cual hace que la formación normal de las imágenes dentro del órgano y pasadas al cerebro para su identificación se vean alteradas, y sólo puedan “enfocarse” bien los objetos que están más lejos. Es una alteración de refracción, o sea que la luz con las imágenes que se desean ver no llegan a la retina, sino que, por el contrario, pasan de largo. Se corrige con lentes convergentes (convexas). Miopía. Se presenta esta enfermedad debido al alargamiento del globo ocular o a la excesiva convexidad del cristalino, con lo cual no se logra que la imagen “enfocada” llegue a la retina; razón por la cual la persona tiene que acercarse demasiado al objeto para poder verlo. Se trata de un problema de refracción visual para enfocar. Se corrige con lentes divergentes (cóncavas). 149 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL objeto distante enfocado frente a la retina lente cóncava desvía los rayos de luz y el objeto es enfocado sobre la retina globo ocular largo Figura 30. Miopía y su corrección. Pterigio. Se denomina así la aparición de enrojecimiento, con fácil irritación de una carnosidad que se presenta en los ángulos de los ojos y a cualquier lado de los mismos. El pterigio se presenta en personas expuestas a las corrientes de aire con polvo y a la luz intensa. Aunque pueden aparecer a cualquier edad, es más frecuente después de los 25 años. Deben usarse gafas para proteger los ojos del polvo y viento, y preferentemente oscuras, para evitar la luz intensa. Órganos sensoriales quimiorreceptores En todo el reino animal, muchas actividades de alimentación, sociales, sexuales y reproductivas son incididas, reguladas o influidas de alguna forma por señales químicas específicas en el ambiente. Los insectos, por ejemplo, utilizan sustancias químicas para comunicarse, defenderse de los depredadores y reconocer alimentos. Muchos vertebrados emplean secreciones para marcar su territorio, atraer una pareja reproductiva, seguir sus presas y defenderse. Dos sistemas quimiorreceptores altamente sensibles son los sentidos del gusto y del olfato. El gusto Por medio del sentido del gusto, apreciamos los sabores. El órgano principal del sentido del gusto es la lengua. Es un órgano carnoso muy móvil, formado por numerosos músculos y recubierto por una mucosa. La mucosa que recubre la cara superior de la lengua presenta numerosas prominencias llamadas papilas. 1 2 3 4 Figura 31. Diferentes tipos de papilas linguales: 1) filiforme, 2) coroliforme, 3) fungiforme y 4) caliciforme. CONCEPTOS BÁSICOS 150 Las papilas fungiformes y las caliciformes son las únicas que tienen función gustativa; las filiformes y las coroliformes son papilas táctiles. Las papilas caliciformes son las más voluminosas y se presentan en número de 9 u 11, agrupadas en forma de “V”, con el vértice dirigido hacia atrás, en la parte posterior de la cara superior de la lengua. Las papilas fungiformes se encuentran distribuidas en la porción de la lengua que está por delante de la “V” lingual. a b c Figura 32. Cara superior de la lengua: a) papilas caliciformes, b) papilas fungiformes y c) papilas filiformes. En el espesor de las papilas, se forman las yemas gustativas, que son los órganos receptores de las sensaciones gustativas; están constituidas por células gustativas y células de sostén. Las células gustativas terminan en un botoncito o corpúsculo gustativo, en tanto que las células de sostén forman el cuerpo de la yema gustativa. CÉLULA GUSTATIVA NERVIO CÉLULA DE SOSTÉN A la lengua, vienen a parar numerosos nervios que realizan diferentes funciones. Los principales son: el glosofaringeo y la cuerda del tímpano, que tienen función sensorial del gusto y que terminan en las papilas fungiformes y caliciformes. El hipogloso, nervio motor que se distribuye por los músculos de la lengua, y el lingual, nervio de la sensibilidad táctil que termina en las papilas filiformes y coroliformes. Figura 33. Corte de una yema gustativa. Tradicionalmente, se reconocen cuatro sabores básicos: dulce, ácido, salado y amargo. Aunque la máxima sensibilidad a cada uno de estos sabores se localiza en una zona dada de la lengua humana, no todas las papilas se restringen a una sola categoría de sabor. El sabor depende de los cuatro sabores básicos en combinación con olor, textura y temperatura. El olor influye en el sabor, porque los olores pasan de la boca a la cavidad nasal. Cuando una persona está contagiada de gripe, el alimento parece tener poco “sabor”, no están afectadas las papilas gustativas, sino que el bloqueo de las fosas nasales reduce notablemente la percepción olfatoria del sabor. 151 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL amargo agrio salado dulce Figura 34. Zonas de la lengua, según el sabor. Los impulsos nerviosos, originados en los botones gustativos, son transmitidos a la corteza cerebral. Se cree que el centro de las sensaciones gustativas se encuentra cerca del centro de las sensaciones olfativas, en la circunvolución del hipocampo, en la cara interna del cerebro. Para conservar en toda su integridad la agudeza gustativa, conviene evitar ingerir alimentos que tengan un sabor muy fuerte. Una persona acostumbrada a una condimentación excesiva, con mucha sal y mucha pimienta, no podrá percibir el gusto de aquellos alimentos que no tengan un sabor muy manifiesto. Igualmente, el humo del tabaco, que irrita constantemente la mucosa lingual, disminuirá la percepción de los sabores. El olfato En los vertebrados terrestres, la olfacción ocurre en el epitelio nasal. En el ser humano, el epitelio olfatorio se encuentra en el techo de la cavidad nasal. CARA SUPERIOR CORNETE SUPERIOR Las fosas nasales son dos cavidades irregularmente cuboides que se encuentran en el interior de la naríz, están separadas por un tabique, cartilaginoso en su parte anterior y óseo en la porción posterior. CORNETE MEDIO TABIQUE CORNETE INFERIOR CARA INFERIOR CONCEPTOS BÁSICOS Figura 35. Esquema de las fosas nasales. 152 En la cara externa de las fosas nasales, encontramos tres salientes: los cornetes superior, medio e inferior. Las fosas nasales se encuentran por debajo de la cavidad craneana y por encima de la boca. Cada fosa nasal se comunica por una abertura con el exterior; a la entrada de las fosas nasales se encuentran pelos gruesos y cortos. Una membrana llamada pituitaria recubre el interior de las fosas nasales. Se presentan dos tipos de la membrana pituitaria: la respiratoria, se llama así porque por ella pasa el aire que va a los pulmones y el que sale de los pulmones; es de color rosado y recubre la porción inferior de las fosas nasales. La olfatoria, recibe este nombre porque en ella se encuentran las células olfativas que son impresionadas por las sustancias odoríferas; es de color amarillenta y ocupa la porción correspondiente al cornete superior, por donde se distribuyen las ramas del nervio olfatorio. BULBO OLFATORIO NEURONA CENTRAL LÁMINA CRIBIOSA DEL ETMOIDES CÉLULAS OLFATIVAS CÉLULAS DE SOSTÉN GLÁNDULA MUCOSA Las fosas nasales reciben dos clases de nerFigura 36. Células olfativas. vios; nervios de la sensibilidad general, que proceden del trigémino y mediante los cuales se perciben las sensaciones del tacto, y los nervios sensoriales del olfato que son los nervios olfatorios. Dentro de la cavidad craneana, cada nervio olfatorio se ensancha para formar el bulbo olfatorio, que descansa sobre la lámina cribosa del hueso etmoides. BULBO OLFATORIO RAMAS DEL NERVIO OLFATORIO NERVIO OLFATORIO RAMAS DEL TRIGÉMINO CORNETE SUPERIOR CORNETE MEDIO CORNETE INFERIOR Figura 37. Nervios de las fosas nasales. El epitelio olfatorio contiene unos doscientos millones de células especializadas, cuyos axones se extienden hacia arriba como fibras de los nervios olfatorios. El extremo de cada célula olfatoria, en la superficie epitelial, tiene varios pelos olfatorios que se cree que reaccionan con los olores (sustancias químicas) presentes en el aire. 153 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL A diferencia de las papilas gustativas, que son sensibles sólo a unas cuantas sensaciones químicas, se cree que el epitelio olfatorio reacciona hasta a 50. Mezclas de estas sensaciones olfatorias primarias producen el amplio espectro de olores que somos capaces de percibir. Los órganos olfatorios reaccionan a cantidades notablemente pequeñas de una sustancia. Por ejemplo, la ionina, sustitutivo sintético del olor de las violetas, puede ser detectado por la mayoría de las personas, cuando está presente en una concentración de apenas una parte o más por 30 millones de partes de aire. Cuanto se dijo del gusto es aplicable al olfato. Cuando permanecemos durante mucho tiempo en una atmósfera cargada de olores penetrantes, no podemos darnos cuenta de los olores delicados y sutiles. Sabemos también que los estados catarrales disminuyen la percepción de los olores. Sinusitis. Es la inflamación de la mucosa que tapiza el interior de los senos de la cara. Los senos más afectados por la sinusitis son los frontales y los maxilares, y puede llegar a producir dolor, fiebre y malestar general. Las sinusitis son complicaciones de catarros intensos o descuidados. Pólipos. En las fosas nasales, se presentan, a veces, unos tumores benignos que reciben el nombre de pólipos nasales. Los pólipos pueden ser numerosos y llegar a obstruir la fosa nasal en la cual se desarrollan. Es necesario extirparlos quirúrgicamente. Se desarrollan generalmente sobre mucosas irritadas por estados catarrales frecuentes. 4.6 REGULACIÓN HORMONAL Corresponde a la sesión de GA 4.51 ¡RED QUÍMICA DE COMUNICACIÓN! Muchos seres vivos son capaces de responder a una serie de estímulos externos e internos mediante su sistema nervioso. Sin embargo, el sistema nervioso de estos organismos no actúa solo; intervienen una serie de sustancias que lo auxilian en la coordinación y control de las funciones. A tales sustancias, se les conoce con el nombre de hormonas. Las hormonas actúan como reguladoras y transmisoras de señales químicas de una célula a otra. Su función ayuda a mantener la estabilidad interna del organismo ante los cambios del medio externo. Los reguladores químicos, presentes en algunos organismos unicelulares, se difunden a través de toda la célula. En los organismos pluricelulares que presentan un sistema de transporte, los reguladores se mueven entre las células mediante el líquido intercelular. Las hormonas, principalmente en las plantas y animales, son sustancias químicas producidas por un tipo de células que funcionan como reguladores específicos de la actividad de otro tipo de células. CONCEPTOS BÁSICOS 154 Las hormonas se producen en un sitio del organismo distinto al lugar donde van a actuar. 4.7 HORMONAS EN LAS PLANTAS Y LOS ANIMALES Corresponde a la sesión de GA 4.52 (37.2) REGULADORAS La mayoría de las plantas efectúan la coordinación y la irritabilidad por medio de un sistema de coordinadores químicos, que reciben el nombre de fitohormonas. Las plantas responden a cambios ambientales mediante crecimiento, este tipo de respuesta es más lenta, que una respuesta obtenida por el cambio de turgencia. En las plantas, se conocen dos tipos de movimiento por crecimiento en respuesta a estímulos exteriores: movimiento nástico, que es una respuesta a un estímulo externo, en donde la orientación es independiente de la dirección de incidencia del estímulo; un ejemplo de este tipo de movimiento es la apertura de ciertas flores ocasionada por la salida del sol. A diferencia del anterior, el tropismo, es un movimiento por crecimiento, cuya dirección está determinada por la dirección de incidencia del estímulo. Un ejemplo de este movimiento se puede observar, cuando se coloca una planta a germinar y se alumbra con una bombilla a uno de los costados, la planta crecerá en dirección a la luz. F. W. Went fue el primer investigador en extraer de las plantas una sustancia relacionada con la estimulación del crecimiento, denominada auxina. Luego de un tiempo, se estableció que las auxinas participan en la coordinación de diversas actividades de las plantas, entre las cuales podemos mencionar: • • • • El desarrollo del fruto: a medida que la semilla se desarrolla, libera auxina en las partes de la flor que la rodean, lo cual estimula el crecimiento del fruto. Dominación apical: el crecimiento del vástago apical de una planta inhibe el desarrollo de las yemas laterales en la parte inferior del tallo. Esto aparentemente sucede por el transporte descendente de la auxina producida en el meristemo apical. Caída de las hojas y producción de frutos: las hojas y los frutos jóvenes producen auxina y, mientras lo hacen, permanecen adheridas al tallo. Iniciación de la raíz: la auxinas estimulan también la formación de raíces adventicias. Otras sustancias que intervienen en el crecimiento son las giberilinas. Entre los años 1930-1940, científicos japoneses liberaron esta sustancia. El efecto más importante de las giberilinas se relaciona con el crecimiento del tallo. Si se le agrega giberilinas en baja concentración a una planta enana de fríjol, el tallo comienza a crecer en forma rápida. Además, son las estimuladoras principales del crecimiento de la raíz y del brote de yemas. Igualmente la giberilina hace que las células que rodean el endosperma liberen unas enzimas específicas que digieren el almidón y las proteínas, de esta manera se liberan azúcares y proteínas, que son sustancias indispensables para el crecimiento del embrión. Las citoquininas son otro grupo de hormonas vegetales. Contienen en su estructura molecular purina y adenina. Cuando las citoquininas actúan de manera conjunta con las auxinas, estimulan el proceso de mitosis en los tejidos meristemáticos. Además, promue155 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ven la diferenciación de las células producidas en los meristemos y retardan el envejecimiento de ciertas partes de la planta como las hojas y la resistencia de las mismas a factores bruscos de temperatura, infección viral, malezas y radiaciones. En el otoño, las hojas maduras de algunos árboles, tales como el abedul y el sicomoro, producen una sustancia que detiene el crecimiento de los meristemos apicales del tallo y los transforma en yemas latentes. Las nuevas hojas que crecen sobre el meristemo se convierten en escamas duras que envuelven el meristemo apretadamente y lo protegen de deterioros mecánicos y desecación durante los meses de invierno. La sustancia responsable de la transformación de los meristemos apicales, en yemas latentes, ha sido denominada ácido abscisínico. Otro efecto de este ácido es que acelera el desprendimiento de partes de la planta en edad avanzada, tales como hojas y frutos. El etileno es una sustancia que desprende la mayoría de los frutos y ésta es la que desencadena el proceso de maduración en los mismos. En los vegetales, las hormonas son secretadas por células comunes, es decir, no tienen células o estructuras especializadas en la producción de estas sustancias. No obstante, en las zonas de crecimiento, como raíces y brotes, se encuentran en mayor cantidad. Figura 38. El comienzo de la floración es regulada por hormonas. Los animales, al igual que las plantas, necesitan de mecanismos para llevar a cabo sus procesos de coordinación y así lograr que células, tejidos y órganos del cuerpo puedan comunicarse. La coordinación química en los animales, al igual que en las plantas, implica: la segregación de sustancias químicas de las células fuera de ellas; el transporte por un medio u otro de estas sustancias, y la modificación de actividades de otras células por medio de dichas sustancias. Las glándulas endocrinas se denominan glándulas de secreción interna, ya que carecen de conductos y sus secreciones (hormonas) se liberan de forma directa al torrente sanguíneo que drena la glándula. Estas hormonas son llevadas por la sangre a todas las partes del cuerpo. Las hormonas ejercen su efecto solamente sobre ciertas estructuras del organismo. Según estudios, se han encontrado glándulas endocrinas específicas en insectos, crustáceos, en ciertos moluscos y en todos los animales vertebrados. CONCEPTOS BÁSICOS 156 En los insectos, los estudios de la actividad endocrina se han llevado a cabo a través de la observación del proceso de crecimiento y de la metamorfosis. 4.8 SISTEMA ENDOCRINO EN EL SER HUMANO Corresponde a la sesión de GA 4.53 GLÁNDULAS MAESTRAS En el cuerpo, existen muchas glándulas formadas por células u órganos que producen y secretan sustancias. Las glándulas se clasifican en: exocrinas (salivales, digestivas, sudoríparas, etc.), porque secretan las sustancias a través de un ducto y no hacen parte del sistema endocrino, y endocrinas, que tienen la característica de no presentar ducto, las secreciones que producen (hormonas) se liberan directamente a la sangre. El sistema endocrino juega un papel importante para lograr mantener en equilibrio el cuerpo. Su unidad básica es la hormona, que circula por la sangre hasta llegar al lugar correspondiente para cumplir con su función. Este sistema también controla el crecimiento, el desarrollo, las funciones de algunos tejidos y los procesos metabólicos en el organismo. El sistema nervioso trabaja en estrecha relación con el sistema endocrino, ya que a todas las glándulas llegan nervios cuyos impulsos nerviosos producen una respuesta, la secreción de las hormonas. Las hormonas Son sustancias químicas o mensajeros químicos, secretadas por las glándulas del sistema hormonal, las cuales viajan a través del torrente sanguíneo hacia destinos específicos, un órgano o un tejido. Desde el punto de vista químico, son muy distintas unas a las otras; algunas pueden ser aminoácidos, otras son proteínas y otras son esteroides. Su principal característica es que todas cumplen una función reguladora. De acuerdo con algunos autores, las hormonas son producidas de tres formas principales: • • • Por tejidos especializados que constituyen estructuras llamadas glándulas, por ejemplo el hipotálamo, el cual secreta hormonas que estimulan o inhiben la secreción de hormonas específicas. Por las neuronas, como la antidiurética, que estimula la reabsorción de agua en los riñones y su conservación. Por células o tejidos individuales, que actúan principalmente en la comunicación entre células. Las hormonas regulan el funcionamiento integral del organismo. 157 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Algunas hormonas funcionan permanentemente. Como ejemplos se tienen a la insulina y el glucagón, dos hormonas producidas en el páncreas, que regulan el nivel de azúcar o glucosa en el organismo. La cantidad de azúcar es indispensable para el funcionamiento del cerebro, a diferencia de otros órganos, éste obtiene la mayor parte de su energía de la molécula de glucosa. Después de cada comida, el nivel de azúcar y de aminoácidos en la sangre se incrementa; la hormona insulina hace que se estimule la absorción del azúcar y su conversión de glucosa a glucógeno, para luego ser almacenado en el hígado. Cuando los niveles de azúcar en la sangre disminuyen, el glucagón interviene para aumentar el nivel, estimulando para que el glucógeno se convierta en glucosa. Otra forma de elevar el nivel de glucosa en la sangre, es cuando la médula suprarrenal libera adrenalina y noradrenalina, debido al estrés. Otras hormonas actúan sólo durante cierto tiempo y provocan cambios corporales; por ejemplo, el estrógeno y la testosterona son hormonas que participan en el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios, en el ser humano y en todos los mamíferos. GLÁNDULA PINEAL Las glándulas endocrinas HIPOTÁLAMO HIPÓFISIS TIROIDES Y PARATIROIDES TIMO Entre las principales glándulas endocrinas, encontramos: la hipófisis, la tiroides, la paratiroides, el timo, las suprarrenales, el páncreas y las gónadas. CORAZÓN SUPRARRENAL OVARIO (MUJER) RIÑÓN PÁNCREAS TESTÍCULO (HOMBRE) Figura 39. Ubicación de las principales glándulas endocrinas en el ser humano. CONCEPTOS BÁSICOS 158 La hipófisis Se conoce también con el nombre de pituitaria, está situada en la base del cráneo, unida al hipotálamo (una sección importante del encéfalo), este órgano puede estimular o inhibir la producción de hormonas en la hipófisis. Ésta se encuentra dividida en dos partes o lóbulos; el lóbulo anterior, que produce las hormonas y el lóbulo posterior, que almacena dos hormonas, la ADH (vasopresina) y la oxitocina, producidas por el hipotálamo. hipotálamo hipófisis posterior hambre liberación de oxitocina la succión estimula las terminaciones nerviosas en la glándula mamaria los músculos se contraen y hacen que la leche salga células musculares células productoras de leche el niño satisfecho deja de succionar y se inhibe la liberación de oxitocina conducto pezón Figura 40. Producción de hormonas durante la lactancia. 159 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Entre las hormonas que se fabrican en la hipófisis están: la somatotropina (interviene en el crecimiento), la prolactina (crecimiento de glándulas mamarias y secreción de leche). También produce las hormonas trópicas, que regulan la secreción de otras glándulas, entre las cuales están: la HSF (estimuladora del folículo), la ACTH (estimula formación de hormonas en las glándulas suprarrenales), la HL (controla secreción de hormonas reproductoras) y la HET, hormona estimulante de la tiroides (interviene en la producción de tiroxina). La tiroides Se ubica en el cuello, envolviendo la parte de la tráquea por debajo de la laringe. Secreta la hormona tiroxina, que actúa sobre la mayoría de los tejidos del cuerpo, para acelerar las actividades metabólicas, incluye los procesos de síntesis de proteínas y ATP. Por lo anterior, se relaciona con el crecimiento durante los años de desarrollo. Las paratiroides Son cuatro pequeñas glándulas que se ubican detrás de la tiroides, secretan la hormona PTH o parathormona, que regula el nivel de calcio y fósforo en la sangre y los tejidos. Inhibe la excreción de calcio por los riñones y estimula la liberación de calcio para los huesos. El timo Está localizado delante del corazón, en la cavidad toráxica, produce la hormona timosina, aunque no se ha establecido en forma clara su función, se cree que tiene que ver con la defensa del organismo. CORTEZA (GLUCOCORTICOIDES, TESTOSTERONA) Las suprarrenales MÉDULA (EPINEFRINA, NOREPINEFRINA) Están ubicadas sobre los riñones. Estas glándulas presentan en su morfología dos partes principales: la corteza, que es la capa exterior y la médula, que es la capa interna. GLÁNDULA SUPRARRENAL RIÑÓN Figura 41. Ubicación de las glándulas suprarrenales y sus principales partes. CONCEPTOS BÁSICOS 160 La médula secreta dos hormonas: la adrenalina y la noradrenalina. Cuando el cuerpo se encuentra en estado de alerta, la adrenalina provoca el aumento de la presión sanguínea, acelera los latidos del corazón e incrementa la conversión de glucógeno en glucosa. La noradrenalina también interviene en el aumento de presión sanguínea. La corteza secreta más de cincuenta hormonas corticoesteroides. Entre las principales están: la aldosterona (regula el balance de agua y sales), el cortisol (afecta el metabolismo de carbohidratos, proteínas y lípidos) y los andrógenos (intervienen en características sexuales secundarias, como crecimiento de la barba). Páncreas Es un órgano que hace parte de las glándulas anexas del sistema digestivo, secreta las hormonas insulina y glucagón, cuya función ya fue descrita anteriormente. Gónadas Estas glándulas (testículos y ovarios), además de producir gametos, cumplen una función endocrina, porque secretan hormonas importantes relacionadas con el desarrollo de caracteres sexuales. Los testículos producen la hormona testosterona, la cual interviene en el desarrollo y mantenimiento de caracteres sexuales secundarios como son: el engrosamiento de la voz; la aparición del bozo sobre el labio superior, mejillas y maxilar inferior; abundancia de pelo en los brazos, pecho y piernas; el pene y los testículos aumentan de tamaño; el desarrollo y fuerza muscular; y la iniciación del proceso de espermatogénesis (producción de espermatozoides), en el cual interviene la hormona estimulante del folículo (FSH) y la hormona luteinizante (LH). Los ovarios secretan la hormona estrógeno, que es la responsable del mantenimiento y desarrollo de los caracteres secundarios en la mujer, entre los cuales están: madurez del tapiz uterino; crecimiento de los senos; ensanchamiento de la pelvis; aparición del vello púbico y axilar; primera menstruación, la cual aparece entre los 12 y 13 años, y da comienzo al proceso de ovogénesis (producción de óvulos). La siguiente tabla presenta, en forma sintetizada, los diferentes tipos de hormonas y sus principales funciones: 161 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL GLÁNDULA Hipófisis HORMONA FUNCIÓN Somatotropina Estimula el crecimiento en los huesos. Mantiene la síntesis de proteínas. Prolactina Estimula la producción de la leche. Estimula la tiroides. Hormona estimuladora de la tiroides: tirotropina (TSH) Hormona estimulante de la corteza Estimula la corteza suprarrenal. o adrenocorticotrópica (ACTH) Hipotálamo Hormona folicuestimulante (FSH) Estimula el folículo ovárico y la espermatogénesis. Hormona luteinizante (LH) Estimula la ovulación y la formación del cuerpo lúteo. Oxitocina Estimula y mantiene los procesos metabólicos. Controla la excreción de agua. Hormona antidiurética Tiroides Tiroxina Estimula y mantiene los procesos metabólicos. Calcitocina Inhibe la liberación de calcio en los huesos. Paratiroides Parathormona Estimula la liberación de calcio del hueso, estimula la conversión de vitamina D, para que sea absorbida por el tracto grastrointestinal e inhibe la excreción de calcio. Corteza suprarrenal Corticoides Afecta el metabolismo de carbohidratos, proteínas y lípidos. Aldosterona Afecta el balance de sales y agua. Médula suprarrenal Adrenalina y noradrenalina La adrenalina causa reacción de alarma y defensa, y la noradrenalina incrementa el nivel de azúcar en la sangre, dilata o contrae vasos sanguíneos específicos. Páncreas Insulina Baja el nivel de azúcar de la sangre, incrementa el almacenamiento de glucógeno. Estimula el proceso de degradación de glucógeno a glucosa. Glucagón Ovario Estrógenos Desarrollo y mantenimiento de las características sexuales en la mujer. Inicia la edificación del tapiz uterino. Progesterona y estrógenos Promueve el crecimiento continuado del tapiz uterino. Testículos Testosterona Maduración y desarrollo de características sexuales en el hombre; controla el desarrollo de espermatozoides. Tacto gastrointestinal Secretina, gastrina, colesistoquinina Regulan la secreción de enzimas y jugos digestivos. CONCEPTOS BÁSICOS 162 4.9 ENFERMEDADES DEL SISTEMA ENDOCRINO Corresponde a la sesión de GA 4.54 DESCONTROL EN LAS HORMONAS La diabetes es una enfermedad metabólica que se presenta cuando no hay insulina suficiente para que el azúcar de los alimentos que son ingeridos, salga de la sangre y entre a las células del cuerpo, donde es utilizado para producir energía. Existen dos tipos de diabetes: el tipo I (llamada diabetes juvenil), cuando el páncreas produce muy poca o ninguna insulina; el tipo II, se presenta cuando el páncreas produce insulina pero no puede usarla. Aunque la diabetes es una enfermedad genética hereditaria, en la actualidad, las personas consumen más alimentos de los establecidos en la dieta, llevan una vida sedimentaria y presenten altos grados de estrés. Lo anterior ha llevado a que se disparen la cifras de diabéticos en el mundo. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), se habrá duplicado la cifra de diabéticos para el año 2010. Luego de un tiempo, la diabetes puede acarrear problemas de ceguera, desestabiliza el sistema nervioso y se presenta una pérdida de peso. Gigantismo, es cuando la hipófisis, que produce la hormona estimuladora del crecimiento, presenta hiperfunción de esta glándula durante el crecimiento de un individuo, la persona crece más de lo normal, en forma proporcionada. Acromegalia, se relaciona con la hormona anteriormente descrita, pero aquí, la hiperfunción se presenta luego de haber completado el período de crecimiento del individuo, produce aumento de tamaño en los huesos de las manos, los pies y la cara. Enanismo, se da cuando hay una hipofunción de la hipófisis, el crecimiento de los huesos se retarda, lo que determina un individuo muy pequeño. Bocio o coto, es un abultamiento, en forma exagerada, en la garganta, por la atrofia de la glándula tiroides por deficiencia de yodo. Por lo anterior, la sal que se consume en gran parte de los países es sal yodada. Mixedema o el hipotiroidismo, consiste en una deficiencia de tiroxina, lo cual lleva a que se presente un proceso metabólico muy lento, que desencadena la obesidad. Si el hipotiroidismo se desarrolla desde el nacimiento, se manifiesta la enfermedad del cretinismo (no alcanzan la madurez sexual y hay un bajo nivel de inteligencia). Hipertiroidismo, ocurre cuando la tiroides secreta en forma excesiva la hormona tiroxina, lo cual genera un metabolismo acelerado, que trae como consecuencia pérdida de peso, nerviosismo, temblor y debilidad muscular. 163 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL LAS FEROMONAS COMO RESPUESTA A ESTÍMULOS DEL AMBIENTE Corresponde a la sesión de GA 4.52 REGULADORAS Son glándulas que liberan sus secreciones en conductos, que llevan las sustancias hacia el exterior del cuerpo o hacia el tracto digestivo. Se denomina así a un conjunto de miembros de abejas que viven en un lugar determinado. También se le denomina nido o colonia. Son todos los organismos capaces de cruzarse entre sí, en condiciones naturales. Si se reproducen asexualmente, son los que están más relacionados que cualquier otro organismo del género. CONCEPTOS BÁSICOS Mientras que las hormonas son sustancias químicas, que las glándulas endocrinas liberan al ambiente interno, para lograr una regulación de las propiedades químicas del mismo, con las actividades de los órganos internos; las feromonas son sustancias químicas liberadas por glándulas exocrinas, en el ambiente externo, como respuesta a uno o muchos estímulos presentes en el ambiente. Algunos ejemplos de cómo pueden actuar las feromonas son los siguientes: a) los machos adultos de las langostas migratorias liberan una feromona que acelera el desarrollo de los individuos jóvenes, lo cual lleva a que se presente plaga de langostas; b) la reina de una colmena de abejas secreta una sustancia que impide que las abejas obreras desarrollen los ovarios y pongan huevos. Otras feromonas desencadenan acciones inmediatas: cuando se perturba a una hormiga, las glándulas situadas en la cabeza secretan una sustancia química volátil, lo que hace que las otras hormigas se desplacen hacia la compañera, dando vueltas hasta remediar la perturbación. La mayoría de feromonas se han descubierto en especies de insectos, aunque otras se han hallado en otros animales. Lo anteriormente descrito, es una muestra de que las feromonas contribuyen a la coordinación de la acción de los individuos que hacen parte de una especie, en donde interviene directamente el sistema nervioso. 164 Son glándulas sin ducto que producen hormonas, formadas por células que liberan las secreciones al fluido extracelular y desde allí se trasladan hacia los capilares más cercanos. Insecto herbívoro del que existen numerosas especies, que se desplazan saltando y volando, pertenecen al orden ortópteros. SISTEMA NERVIOSO CENTRAL 165 IMPULSOS NERVIOSOS que trasmien NEURONAS llamadas CÉLULAS NERVIOSAS conformado por HIPÓFISIS SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO se divide en EL SISTEMA NERVIOSO TIROIDES PARATIROIDES intervienen FUNCIONES DEL CUERPO de las EN LA COORDINACIÓN que producen SUPRARRENALES FUNCIONES DEL CUERPO las cuales controlan y mantienen las HORMONAS HIPOTÁLAMO las principales son GLÁNDULAS ENDOCRINAS formada por EL SISTEMA ENDOCRINO PÁNCREAS GÓNADAS El siguiente mapa conceptual contiene los principales conceptos vistos a través de todo el capítulo: BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 4.10 HISTORIA DE LA CIENCIA Corresponde a la sesión de GA 4.55 INVESTIGADORES Y CIENTÍFICOS DE LAS NEURONAS Y LAS HORMONAS El estudio del tejido nervioso Hasta la primera mitad del siglo XIX, la estructura y funcionamiento del tejido nervioso continuaba siendo una gran incógnita, debido a sus especiales características. El punto de partida fue la distinción entre sustancia gris y sustancia blanca, fue Robert Remak (1815-1865) quién llevó a cabo el primer análisis válido, sostiene que: “Bajo la forma de una H la sustancia gris ocupa la parte central en la médula y la periférica tanto en la corteza cerebelosa como en la corteza cerebral (córtex)”. Históricamente, a este científico prevalece la búsqueda de Deiters, quien en 1856, llegó a demostrar que el tejido nervioso estaba constituido por dos elementos básicos: las células y las fibras, la relación establecida por estas dos partes siguió siendo una especie de misterio, que envolvió por mucho tiempo un gran número de histólogos. Camilo Golgi (1844-1926), en su escrito Golgi in neurology, introdujo innovaciones importantes acerca del tejido nervioso, hacia 1878 se hizo la siguiente descripción del tejido nervioso: “Las células nerviosas se encuentran provistas de unas prolongaciones en toda su longitud”. Lo anterior permitió que a partir de 1885, fuera verificado el trabajo de Golgi, por Kolliker y Von Gerlach, y se aceptó que este tejido era una red continua bien dendrítica, bien cilindroaxial, y que esta estructura provenía de las primeras etapas del desarrollo embrionario. En 1888, Ramón y Cajal consiguió aislar entre las fibras y células nerviosas, la existencia de unos hilos filamentosos, los cuales se designaron como neurofibrillas. Otro trabajo que se debe destacar es el del húngaro Apathy, quien concibió el sistema nervioso como una red inmensa y comparable a un tendido eléctrico. Lo importante en esta época fue admitir la individualidad de las células nerviosas, que dio lugar a la teoría de la neurona. La mayoría de los histólogos coincidieron en la característica común de la neurona: “Células estrelladas, con su prolongación única y larga denominada axón o cilindroeje, con prolongaciones protoplasmáticas designadas por Purkinje, las dendritas”. En 1891, tras una serie de precisiones de índole morfológico, Ramón y Cajal determinó los componentes funcionales de la neurona: “Las dendritas poseen un tipo de conducción de impulsos y el cilindroeje una conducción de los impulsos en forma centrífuga”. Además, el investigador determinó que la región donde se establecen las conexiones entre las células nerviosas se denomina sinapsis. En un estudio detallado de las fibras nerviosas del sistema cerebro espinal, se aisló una primera vaina formada por una sustancia lipídica especial, la mielina, descubierta por Nageotte: “La disposición de la mielina es hojaldrada”, mientras que Ranvier puntualizó que la vaina de mielina no era continua, sino que presentaba un estrangulamiento, que posteriormente se conoció como “estrangulamiento anular de Ranvier”. Los últimos dos datos descriptivos sobre la fisiología de las células nerviosas fueron: Virchow, con la CONCEPTOS BÁSICOS 166 neuroglia (protege, sostiene y nutre células nerviosas y prolongaciones) y Deiters, quien descubrió que las células nerviosas están diseminadas por los tejidos nerviosos. Todo lo anterior fue lo que permitió avanzar tanto en la morfología como en la fisiología del sistema nervioso. Las hormonas El estudio químico de algunas hormonas precedió, en algunos años, al de las vitaminas, por ejemplo, en 1901 Takamine y Aldrich dilucidaron la estructura de la adrenalina (hormona secretada por la hormona suprarrenal), y en 1927 Harington y Barger aclararon la estructura de la tiroxina (hormona secretada por la glándula tiroides). La determinación de la estructura de las hormonas proteicas requirió muchos más años de investigación. Pero en 1953 Du Vigneaud y su equipo de colaboradores dieron a conocer la síntesis de la hormona de la pituitaria posterior, y en 1955 Sanger terminó el estudio sobre la secuencia de los aminoácidos de la insulina (hormona que controla el nivel de azúcar en la sangre). Entre los científicos dedicados al estudio del mecanismo bioquímico de la acción de las hormonas, podemos destacar a Sutherland, que investigó sobre los efectos glicogenolíticos y lipolíticos de la adrenalina y otras hormonas; y Larner, que estudio los efectos de la insulina sobre las enzimas que intervienen en la síntesis del glucógeno. Du Vigneaud, Vincent, nació en 1901, en Chicago, EUA, estudió bioquímica en las universidades de Illinois y Rochester, en 1932 llegó a ser profesor y jefe del Departamento de Bioquímica de la Escuela de Medicina en la Universidad de George Washington. Además, trabajó en el Colegio Médico de la Universidad de Cornell. Desde 1938 a 1967, hizo importantes investigaciones sobre la hormona insulina producida por el páncreas; también llevo a cabo estudios de algunas vitaminas, aminoácidos y la obtención de la penicilina. En 1942, dedujo la fórmula y estructura de una vitamina, la biotina. Fue jefe del equipo de investigación que en 1953 logró la síntesis de la oxitocina, la primera hormona pituitaria artificial. Por esto, recibió en 1955 el Premio Nobel de Química. En 1956, Du Vigneaud y algunos de sus ayudantes sintetizaron la vasopresina y otras hormonas pituitarias. Murió en 1978. 167 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Capítulo 5 INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA En este capítulo, se presentan algunos aspectos que permiten indagar y profundizar en el mundo de la biotecnología, a su vez, se brindan elementos fundamentales para comprender el ciclo de vida de algunos microorganismos como las bacterias, los hongos y los virus, y su impacto en los seres humanos y en otros seres vivos. Si bien es cierto que microorganismos como algunos hongos y algunas bacterias son útiles para la industria, la ganadería, la agricultura, la medicina y hasta para los mismos microorganismos, no se puede desconocer que existen otros causantes de diversas enfermedades que día a día atacan con más ímpetu a la humanidad. Por las anteriores razones, es importante familiarizarnos con su desarrollo biológico, su forma de vida y el impacto que pueden tener sobre los demás seres vivos. Si se necesita un nuevo nombre para designar a los seres infinitamente pequeños es porque los existentes ya no cumplen su cometido y porque, en lo sucesivo, será fútil buscar su origen en uno u otro reino. El problema ha cambiado de terreno: se estaba en el de la sistemática, o incluso en el de la anatomía microscópica; y ahora, con los microbios se entra en el terreno médico. Los nombres de estos organismos son muy numerosos y habrá que definirlos y, en parte, reformarlos; el mundo antiguo debe ser interpretado a la luz de los nuevos descubrimientos. SEDILLOT 169 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 5.1 INTRODUCCIÓN Corresponde a la sesión de GA 5.58 ¿QUÉ SABEMOS ACERCA DE LA BIOTECNOLOGÍA? La biotecnología comenzó hace unos diez mil años, cuando tribus cazadoras y recolectoras comenzaron a repetir en forma intensiva hábitos como el replantar trozos de tubérculos que recogían, una costumbre que conservaron algunos aborígenes australianos hasta épocas históricas. A partir de ahí, la humanidad ha conseguido modificar a los seres vivos y aprovecharse de ellos, un proceso de selección genética llamado domesticación. A lo largo de la historia, el ser humano se ha visto enfrentado a dificultades en sus diferentes campos de acción, como son la medicina, agricultura, industria, etc. Estas dificultades se han podido solucionar gracias a la biotecnología que cada vez perfecciona técnicas para ponerlas al servicio de la humanidad. El término biotecnología hace referencia a la utilización de los microorganismos para nuestro beneficio, incluso la palabra biotecnología es antigua. El primero en usarla fue un ingeniero agrónomo húngaro Karl Erekt, en 1919, en su publicación La biotecnología de la producción de carne, grasa y leche en las grandes empresas agrícolas. Los primeros adelantos en biotecnología realizados a comienzos de este siglo, tuvieron que ver con las plantas industriales, que con la utilización de microorganismos, se empleaban para la descontaminación de aguas negras. Los microorganismos también se emplean en la elaboración de diversidad de productos como la cerveza, el vino, el queso, el pan, antibióticos, insecticidas, plaguicidas, aminoácidos, vitaminas, hormonas vegetales, entre otros. Hay que reconocer, también, que los procesos biotecnológicos se han utilizado para fines que van en contra de la vida, como es el caso de la producción del glicerol y de la acetona, que han sido empleados para la fabricación de nitroglicerina y cordita, respectivamente, las cuales se emplean para la construcción de bombas. Por todo lo anterior, es indudable la importancia de los microorganismos para la humanidad. 5.2 MUNDO MICROSCÓPICO Corresponde a las sesiones de GA 5. 59 LOS MICROORGANISMOS Y LA BIOTECNOLOGÍA, 5.60 ALIMENTO PARA LOS MICROORGANISMOS Y 5.61 OBSERVEMOS NUESTRO TRABAJO Aunque no parezca, existe gran variedad de microorganismos en el aire que respiramos, en el agua, en el suelo, sobre nuestra piel y, en general, sobre todas las superficies de los objetos que nos rodean. Los microorganismos son seres vivos microscópicos con ciertas características, tanto morfológicas como metabólicas, que los hacen tan especiales y que les permiten habitar en los lugares menos pensados como en sitios calientes y áridos, en sitios intensamente fríos, en aguas dulces y saladas, etc.; y bajo condiciones muy diversas y hasta extremas. CONCEPTOS BÁSICOS 170 Los microorganismos ofrecen garantías para su utilización en el campo tecnológico, porque: • • • • Se reproducen de manera sorprendentemente rápida, tal es el caso de las bacterias, que en sólo 24 horas pueden dar origen a billones de células a partir de sólo una. Son fáciles de cultivar empleando medios de cultivo apropiados y económicos, que favorecen grandes producciones. Se pueden manipular de tal manera que se obtenga un determinado compuesto. Se puede alterar su material genético, para obtener nuevas vías metabólicas, mejores productos, sustancias nuevas; también se puede disminuir el tiempo en que se producen. Entre los microorganismos importantes para los procesos biotecnológicos, se encuentran las bacterias, los hongos y los virus. Características generales de los microorganismos Los microorganismos también se conocen con el nombre de microbios o gérmenes. Dada la importancia de los microorganismos en los alimentos, es necesario conocer su estructura, la función que éstos desempeñan y su composición química, para comprender su metabolismo y poder cultivarlos y eliminarlos, según el caso. Los microorganismos pertenecen a los siguientes grupos: Móneras, Protistas, Hongos (fungi) y Virus. Móneras. Son los seres más simples, están conformados por una sola célula procariótica, carecen de organelos cubiertos por membranas, como son los cloroplastos o las mitocondrias. A este reino pertenecen las bacterias y las algas verdeazules o cianobacterias. • Bacterias: son células pequeñas que se miden en micras (µ). El tamaño de algunas de ellas oscila entre 0.5 y 1 micra y el de otras puede estar entre 2 y 5 micras. Son unicelulares, pueden crecer en medios artificiales de laboratorio, su reproducción es asexual. Existen dos grupos, las aerobias, las cuales, para obtener la energía necesaria para subsistir, requieren de oxígeno, y las anaerobias, que no requieren de oxígeno. Las bacterias aerobias excretan dióxido de carbono y agua y las anaerobias sustancias como ácido láctico o ácido acético. Algunas de las sustancias excretadas por ellas pueden ser beneficiosas, pero otras producen toxinas que ocasionan enfermedades que pueden llegar a ser mortales. Las bacterias poseen diversidad de formas, encontramos bacterias redondas o casi ovaladas, se llaman cocos (del latín coccus, singular y cocci, plural). Las de forma alargada, que en ocasiones son bastante cortas, se denominan bacilos (del latín bacillus, singular y bacilli, plural). Las bacterias helicoidales se llaman espirilos (del latín spirillum, singular y spirilla, plural). 171 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL FLAGELO ESPORA COCOS BACILOS ESPIRILOS Figura 1. Formas de las bacterias. Los cocos se agrupan de manera característica, conocer el tipo de agrupación que tienen, ayuda a su clasificación. Estas agrupaciones son: diplococos, células agrupadas en pares; estreptococos, agrupados en hileras; estafilococos, agrupados en racimos; tétradas, agrupaciones de cuatro cocos, y sarcinas, agrupaciones de ocho o más células que forman una especie de cubo. PARED CELULAR MESOSOMA FLAGELO PERIPLASMA MEMBRANA MATERIAL NUCLEAR SITIO DE ORIGEN DEL FLAGELO CÁPSULA GRÁNULOS DE MATERIAL DE RESERVA CITOPLASMA RIBOSOMAS Figura 2. Estructuras posibles en una bacteria; no todos estos organelos aparecen en todas las bacterias. Estructura de las bacterias Se hace necesario estudiar cada una de las estructuras de las bacterias. La cápsula es una sustancia mucilaginosa, viscosa, que rodea a algunas bacterias, en ella no se realiza ninguna función metabólica. Le sirve como protección frente al ambiente y como sitio de almacenamiento de alimento o para eliminar sustancias de desecho. Además, CONCEPTOS BÁSICOS 172 la cápsula protege a la bacteria de las defensas del organismo animal, lo cual hace posible su supervivencia dentro de éste, es decir, aumenta su virulencia o capacidad infecciosa. La cápsula de algunas bacterias segrega un material viscoso indeseable que ocasiona problemas en algunas industrias como las refinerías de azúcar o en las fábricas de papel, en otros casos las sustancias químicas que constituyen la cápsula son utilizadas en la industria, por ejemplo, el dextrano, un sustituto del plasma sanguíneo. La pared celular es una estructura rígida que le da forma a la bacteria. El género bacteriano Microplasma es el único que carece de pared celular. Desde el punto de vista metabólico, esta estructura es inerte, básicamente está formada por un polímero llamado mureína. Además, se puede encontrar otro tipo de moléculas en la pared celular de las bacterias que, según estén o no presentes, permiten clasificarlas en dos grandes grupos: Bacterias Gram-positivas (G+) y bacterias Gram-negativas (G-). Las primeras tienen en la pared celular mureína y ácidos teicoicos; mientras que en las segundas, la capa de mureína es angosta y además tiene moléculas de lipoproteínas, lipopolisacáridos, lípidos y proteínas. La pared celular de las G- es más angosta que las de las G+ y su estructura es estratificada. GRAM + GRAM - LIPOPROTEÍNA MURELINA (20-80 mm) LIPOPOLISACÁRIDOS PROTEÍNAS GLOBULARES PERIPLASMA MUREÍNA (2.3 mm) 1.5 mm MEMBRANA CELULAR Figura 3. Estructura de la pared de las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. La clasificación de una bacteria como G+ o G- se lleva a cabo en el laboratorio utilizando un método de coloración de Gram, dependiendo de que el microorganismo fije un colorante primero (un complejo de cristal violeta-yodo) o un colorante de contraste (safranina o fuscina). La bacteria se trata primero con un complejo de cristal violetayodo, luego se lava con una mezcla de alcohol-acetona, la cual hace la diferenciación, puesto que en las bacterias G- el complejo es arrastrado, mientras que es retenido por las G+. Al añadir el colorante de contraste, éste es fijado por ambos grupos, al observar al microscopio óptico, este colorante se ve en las G- como rojo oscuro y en las G+ como púrpura debido a la mezcla con el complejo violeta-yodo que habían fijado anteriormente. Membrana celular, es una estructura vital para la bacteria, dado que actúa como barrera semipermeable entre el citoplasma y el medio ambiente, selecciona las sustancias que entran y salen de la célula; contiene las enzimas encargadas del transpor173 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL te activo y del metabolismo energético y realiza la biosíntesis de la pared celular y de la cápsula. Químicamente está constituida por fosfolípidos y proteínas. Citoplasma, es un líquido viscoso en el cual se hallan disueltos más de un 50% de proteínas de la célula, que incluye la mayoría de las enzimas, moléculas solubles como aminoácidos, nucleótidos, moléculas intermedias del metabolismo de los carbohidratos y moléculas inorgánicas, otras sustancias como RNA mensajero, RNA de transferencia y las enzimas. En el citoplasma, se encuentra suspendido el material nuclear, ribosomas y material de reserva. Flagelos, son apéndices bastante largos en relación con el tamaño de las bacterias presentes en algunas de ellas, pueden medir entre 1.5 y 2 µ de largo y entre 0.1 y 0.2 µ de ancho, son tan delgados que no se pueden ver con el microscopio de luz. Los flagelos le proporciona movimiento a la bacteria, están presentes, con relativa frecuencia, en los bacilos y, rara vez, en los cocos. Esporas, es importante señalar la formación y las características de las esporas bacterianas, cuya presencia en los alimentos enlatados puede causar graves daños a éstos y al consumidor. Las esporas también pueden contaminar llegando a causar la muerte en algunos casos. La espora es una forma de resistencia de ciertos géneros de bacterias frente a condiciones ambientales desfavorables, como la falta de agua o de nutrientes, presencia de sustancias tóxicas y por efecto de radiaciones o de altas temperaturas. Reproducción y crecimiento bacteriano Cuando las bacterias se encuentran en un medio adecuado para su desarrollo, su número aumenta rápidamente en poco tiempo. Este fenómeno se denomina crecimiento bacteriano, el cual se refiere al aumento en el número de individuos, o sea al tamaño de la población y no al crecimiento de un solo individuo. El proceso más común que utilizan las bacterias para reproducirse es la fisión binaria. Protistas. Los miembros unicelulares del reino Protista y todos los organismos multicelulares están compuestos de células eucarióticas, contienen muchos organelos rodeados de una membrana que está ausente en las células procarióticas. Aunque algunos protistas forman colonias, la mayor parte consta de una sola célula eucariótica. Las tres formas de nutrición están representadas en este reino: las algas captan la energía solar a través de la fotosíntesis; los protistas depredadores ingieren su alimento y las formas parásitas, algunos flagelados y los euglenoides versátiles pueden absorber nutrientes de su ambiente. • Las Algas: son seres unicelulares y pluricelulares eucarióticos, su medio de vida generalmente es el agua, son fotosintéticas; se reproducen en forma sexual y asexual, son empleadas en la industria farmacéutica y alimenticia, también se utilizan como fuente de agar para los medios microbiológicos. Algunas producen sustancias tóxicas. CONCEPTOS BÁSICOS 174 La producción excesiva de algas en el agua ocasiona malos olores, daños en filtros, tuberías y estanques. NOSTOC HETEROCISTE Figura 4. Tipos de algas. Fungi o reino de los hongos. La mayoría de estos organismos eucarióticos crecen en forma de filamentos tubulares denominados hifas. Una masa formada por hifas entrelazadas recibe el nombre de micelio. Las hifas son cenocíticas, es decir, no están segregadas en células separadas. En los alimentos, el crecimiento de los hongos se observa por su aspecto aterciopelado, algodonoso y, a veces, coloreado. Los alimentos contaminados con hongos generalmente se desechan como inadecuados. Si bien es cierto que algunos hongos son responsables de la alteración de los alimentos, otros son útiles para la elaboración de productos comestibles. Los hongos son benéficos o indeseables, según la especie de que se trate, el lugar donde se encuentren y el fin que se persiga con ellos. Morfología Como se mencionó anteriormente, los hongos filamentosos o mohos están constituidos por unos filamentos ramificados y entrecruzados llamados hifas, cuyo conjunto forma el micelio o talo, que es el hongo. Morfológicamente las hifas se dividen en dos grupos: septadas con tabiques transversales que separan una célula de la otra y aseptadas o cenocíticas que carecen de esos tabiques y se presentan como células multinucleadas. 175 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL A. Hifas cenocíticas Pared celular Membrana celular Mitocondrias B. Hifas septadas Núcleos Citoplasma Septum Figura 5. Hifas septadas e hifas cenocíticas. • Levaduras: son hongos unicelulares, su forma es muy variable, pueden ser esféricas, ovoides, cilíndricas, etc. Son organismos eucariotes, que se caracterizan por tener estructuras internas rodeadas por membranas. La envoltura externa de los hongos es la pared celular, la cual da al hongo forma y rigidez, químicamente está constituida por carbohidratos y por proteínas y lípidos incluyendo esteroles. La membrana celular selecciona las moléculas que pueden entrar y salir de la célula; en el citoplasma se encuentran todas las moléculas indispensables para su funcionamiento; en el núcleo se encuentra un par de cromosomas y está rodeado por una membrana nuclear; las mitocondrias son estructuras formadas por dos unidades de membrana, una externa y otra interna, en ella se lleva a cabo la respiración celular cuyo producto principal es el ATP, energía en forma utilizable por la célula. Los ribosomas tienen la función de la síntesis de proteínas, se hallan adheridos al retículo endoplasmático; los hongos también presentan vacuolas que son espacios intracelulares rodeados por membranas y sirven como sitio de almacenamiento; mientras que los lisosomas son los sitios de almacenamiento de las enzimas digestivas. El aparato de Golgi desempeña las mismas funciones que en cualquier célula eucariótica. Reproducción Los hongos pueden reproducirse en forma sexual o asexual, la reproducción asexual puede ser por fisión, gemación o por medio de esporas. Las esporas asexuales de los hongos se producen en gran cantidad y tienen como función la propagación de la especie, en su formación no hay intercambio de material genético y, por lo tanto, los genes se transmiten idénticos de generación en generación. En la reproducción sexual, también se producen esporas, pero en su formación hay recombinación genética; por consiguiente, la descendencia no es absolutamente idéntica a sus progenitores. En el mismo hongo, se pueden producir esporas sexuales y asexuales. CONCEPTOS BÁSICOS 176 ESPORANGIO SUSTRATO (PAN) RHIZOPUS, UN MOHO COMÚN DEL PAN Figura 6. Rhizopus. Un moho común del pan. Virus. Son seres vivos que no poseen estructura como cualquier célula (procariótica o eucariótica). Poseen un solo ácido nucleico (ADN o ARN) que se encuentra recubierto por una cápside constituida por una proteína y a veces ésta se acompaña de lípidos. Para poder desarrollarse, requieren vivir dentro de células de otro organismo vivo, que puede ser un vegetal, un animal, una bacteria o cualquier otro ser vivo y causarles enfermedades. Una vez dentro de la célula huésped, el virus le inyecta su propio ácido nucleico, se apodera del control de la célula y se multiplica hasta que la desintegran (la explotan), quedan luego en libertad cientos de virus nuevos para atacar otras células. envoltura cubierta 6. Virus recién formados salen de la célula por exocitosis 3. El ADN viral se copia y se transcribe en el ARNm, que se mueve hacia el citoplasma ADN núcleo 1 6 3 1. El virus entra a la célula por endocitosis ADN 5 2 2. La envoltura viral se fusiona con la membrana nuclear. La capa proteica se desintegra y el ADN viral penetra al núcleo ARNm 5. Los virus nuevos se ensamblan y salen por gemación del núcleo adquiriendo una envoltura de la membrana nuclear interna 4 citoplasma 4. El ARNm forma la capa y la envoltura de las proteínas que penetran el núcleo Figura 7. El virus herpes, que es un virus de ADN de doble hélice, invade una célula de la piel. Factores que afectan el desarrollo de los microorganismos Factores intrínsecos, son aquellos considerados como propios del medio de cultivo en el cual se desarrollan los microorganismos. Entre ellos se encuentran el agua, el pH, el oxígeno, las sustancias nutritivas y las fuentes de energía. Para poder sintetizar todas las moléculas que necesita el microorganismo para conservarse vivo y reproducirse, es pre177 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ciso que el medio en el cual se encuentra, le proporcione los elementos necesarios; estos elementos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno y minerales, elementos que participan en la formación de las moléculas del microbio. Las vitaminas, los aminoácidos y otras sustancias permiten o mejoran su crecimiento; las sustancias que se suministren deben contener elementos como carbono, nitrógeno, hidrógeno, azufre, oxígeno y fósforo, también, iones inorgánicos como el potasio, hierro, sodio, magnesio, calcio y cloruros, los cuales facilitan los procesos metabólicos requeridos por los gérmenes que se están cultivando. El pH del medio influye sobre los nutrientes que pueden tomar, como también sobre el funcionamiento de las diferentes enzimas que intervienen en el metabolismo. Un pH ligeramente ácido o cercano a neutro es apropiado para la mayoría de las bacterias. Un pH ácido es propicio para el desarrollo de los hongos. Factores extrínsecos, son los factores ambientales que inciden en el desarrollo de los microorganismos. El calor es el factor extrínseco más importante. El crecimiento y la reproducción de los seres vivos son el resultado de una serie de reacciones metabólicas coordinadas, que deben llevarse a cabo a una velocidad determinada, para lo cual se necesita cierta cantidad de calor. Éste se obtiene principalmente del ambiente y se genera también en el metabolismo. Del aire toman ya sea el oxígeno o el CO2. La mayoría requiere oxígeno para realizar sus funciones, por esta razón, se conocen como oxigénicos (aeróbicos); otros requieren de CO2 para formar algunas estructuras. Por otra parte, hay algunos microorganismos que sólo pueden vivir en ausencia de oxígeno, a éstos se les conoce con el nombre de anoxigénicos (anaerobios). El aire es introducido a presión mediante instrumentos mecánicos; en el caso de los organismos anaerobios, el oxígeno es controlado por sustancias químicas o sellando los recipientes de crecimiento con vaselina y parafina. Medios de cultivo Para el crecimiento de los microorganismos in vitro, se utilizan los medios de cultivo en diferente estado físico. Éstos son un conjunto de sustancias de composición conocida, diseñados para cultivar tipos específicos o generales de bacterias en el laboratorio, según la finalidad que se tenga. Los medios varían en su estado físico: pueden ser geles (tienen un contenido de agar del 1.5%, usado como agente solidificante), semigeles (tienen del 0.02 al 0.3% de agar) y líquidos. Se pueden obtener en el comercio como un polvo deshidratado y para su preparación se añade agua siguiendo las instrucciones dadas por la casa fabricante; luego se esteriliza. Los medios de cultivo se clasifican generalmente de acuerdo con su composición y la finalidad de su empleo. Medios básicos de mantenimiento o almacenamiento, son aquellos medios que contienen los ingredientes básicos indispensables para asegurar la supervivencia de los microorganismos poco exigentes en cuanto a sus requerimientos nutricionales. CONCEPTOS BÁSICOS 178 Medios enriquecidos, corresponde a aquellos medios que, al añadirles ciertos componentes específicos, proporcionan nutrientes que favorecen el crecimiento de microorganismos con requerimientos nutricionales específicos. Medios selectivos, son medios de cultivo básicos que sólo permiten el crecimiento de un determinado microbio, debido a que se le han adicionado agentes inhibidores que restringen el desarrollo de otros distintos al que desea aislar. Dentro de los agentes inhibidores utilizados se encuentran colorantes, antibióticos, sales biliares, ácidos o álcalis y otras sustancias y condiciones que alteran los sistemas enzimáticos metabólicos de los grupos no deseados. Medios diferenciales, son aquellos en los cuales ciertas especies microbianas forman colonias típicas, que se reconocen fácilmente por reacciones características como coloración, coagulación, precipitación o liberación de gases. Muchos de estos medios pueden ser también selectivos y diferenciales. Técnicas de cultivo Además de disponer de un determinado medio, es necesario efectuar ciertos procedimientos experimentales a fin de obtener el resultado deseado cuando se trabaja con microorganismos. Las técnicas de cultivo dependen del estado físico del medio (gel, semigel o líquido), de la forma como se acondiciona (en tubo o en placa) para la inoculación con el microbio, y con la forma como se efectúa su siembra. En esta forma, se tienen los siguientes tipos de cultivo: Cultivo de caldo, utiliza un medio de cultivo líquido, por ejemplo, caldo nutritivo sin adicionar ningún otro factor de crecimiento, con el fin de favorecer el desarrollo del microorganismo o conocer su comportamiento metabólico. La forma de siembra es usando un asa bacteriológica o una pipeta graduada. Cultivo en agar inclinado, se utiliza un medio gelificado dentro de un tubo de ensayo. Para lograr la inclinación, el medio caliente líquido se deposita dentro del tubo estéril y se deja inclinado hasta su solidificación. La siembra se hace con un asa bacteriológica, extendiendo el inóculo sobre la superficie o haciendo una estría. Generalmente, se usa para estudiar el comportamiento metabólico. Cultivo de placa, el medio líquido caliente se deposita dentro de una caja de Petri y se deja solidificar. La siembra se hace con el asa bacteriológica por extensión. Ésta es la forma más común de cultivo en el laboratorio, ya sea para aislar colonias, para estudiar su morfología o su comportamiento metabólico. Cultivo en picadura, el medio gelificado se encuentra dentro de un tubo de ensayo, y se diferencia del inclinado en que el tubo se mantiene vertical durante el enfriado del medio y la siembra se hace con una aguja de disección o una asa bacteriológica recta en el centro del medio. 179 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Cultivo en medio semigelificado, el medio contiene agar para aumentar su viscosidad. La siembra se puede hacer utilizando cualquiera de los medios empleados para tal fin. Cultivo en masa en tubo, el medio fundido en tubo de ensayo se enfría hasta 45°C, se efectúa la siembra y se deja solidificar en posición vertical, después de homogenizar la mezcla. Cultivo en masa en placa, es semejante al anterior, salvo que se utilizan cajas de Petri. Figura 8. Siembra en medios de cultivo líquidos y sólidos. 5.3 LA AGRICULTURA Y LOS MICROORGANISMOS Corresponde a la sesión de GA 5.62. ¿LA BIOTECNOLOGÍA Y...? El suelo es un medio fundamental para el desarrollo de las plantas, en él la tasa de crecimiento de microorganismos es alta, cada clase de suelo presenta un microambiente característico. Al suelo, retornan varios elementos que cumplen ciclos biogeoquímicos y que son esenciales para el crecimiento de las plantas, tal es el caso de los compuestos nitrogenados. Los microorganismos como las bacterias y los hongos transforman el mantillo (capa de ramas, hojas, flores caídas, frutos, semillas, etc.) en humus, es decir, la materia aprovechada por las plantas para su alimentación. Las plantas también se ven amenazadas por enfermedades producidas por microorganismos, los hongos y los virus son los principales causantes de éstas. Pueden afectar las flores, las hojas o los frutos, influyendo negativamente en el rendimiento de las cosechas y afectando gravemente la economía del país. La agricultura también se enfrenCONCEPTOS BÁSICOS 180 ta al ataque de insectos, tanto que se hace necesario controlarlos, para esto se utilizan insecticidas que tienen un efecto eficaz sobre esta plaga, pero nocivo sobre el suelo, sobre las plantas que allí se cultivan y sobre los animales que se alimentan de estas últimas. Ante estos dos fenómenos, el ser humano ha tomado medidas importantes como el biocontrol, que consiste en la utilización de insecticidas biológicos, que han sido elaborados ya sea con virus, bacterias o esporas de hongos que ocasionan enfermedades o esterilidad en los insectos o parásitos que atacan las siembras. Además de este control, se emplea también la producción de variedades resistentes, como es el caso del cafeto variedad Colombia, que presenta resistencia a la roya del café. El control biológico trae menos consecuencias negativas que la técnica de la fumigación, pero requiere de una preparación tecnológica adecuada y, en muchos casos, hasta la importación de microorganismos. Figura 9. El café puede sufrir la enfermedad de la roya. 5.4 LOS ANIMALES Y LOS MICROORGANISMOS Corresponde a la sesión de GA 5.62. ¿LA BIOTECNOLOGÍA Y...? Los animales y el ser humano son víctimas de las enfermedades que les causan los microorganismos, estas enfermedades pueden ser leves, pero también pueden ser letales. Indirectamente, el ser humano también se ve afectado por esta situación, ya que los animales son utilizados para la elaboración de productos industriales o alimenticios como la leche, la carne o la lana; las poblaciones que se benefician de estos productos o tienen contacto con ellos, pueden llegar a contagiarse. El ser humano se ha enfrentado a este problema y ha creado mecanismos de solución, que en muchos casos resultan costosos, como es el caso de los antibióticos. Actualmente, se cuenta con las vacunas, cuya función es la de prevenir epidemias. Una vacuna consiste básicamente en la utilización de microorganismos inactivos o muertos, causantes de determinadas enfermedades, éstos se inyectan al paciente en pequeñas cantidades, suficientes para activar y aumentar las defensas y prolongarlas por un lapso de tiempo considerable, de tal manera que si se ve atacado por el mismo microorganismo, sea capaz de combatirlo y evitar de esta forma que se desarrolle la enfermedad. 181 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 10. Las vacunas previenen muchas enfermedades infecciosas. Las enfermedades contagiosas son aquellas que se transmiten de un individuo enfermo a uno sano, por contacto directo o indirecto. El contacto directo se presenta cuando la enfermedad no se transmite por medio de un agente intermediario, como es el caso de la varicela o la difteria. En el contagio indirecto, se requiere de un medio para la propagación de la enfermedad; tal es el caso de la malaria que se propaga por el mosquito anofeles. El control y tratamiento de enfermedades como la malaria, el sarampión, las paperas y la rabia se hace a través de las vacunas. Hoy en día, existen también vacunas para diferentes clases de ganado y, de esta manera, se ha logrado atacar y prevenir enfermedades en los animales domésticos tales como la fiebre aftosa del ganado, la rabia, la sarna. En Colombia, existe una entidad encargada de la elaboración de vacunas para los animales domésticos y, gracias a ellas, hoy en día se cuenta con vacunas para las aves de corral, el ganado vacuno, el ovino y el porcino. Esta entidad se llama Vecol. Figura 11. En la actualidad, existen vacunas contra: sarampión, poliomielitis, hepatitis, tétanos, difteria, rubéola, tuberculosis, etc. Hasta ahora no existe ninguna vacuna contra el sida. Los microorganismos no sólo se relacionan con los animales en forma negativa, existen algunos que representan para ellos beneficios, tal es el caso de las levaduras y algunas bacterias, que son utilizadas para la elaboración de alimentos ricos en proteínas. El proceso consiste en la adición de cantidades específicas de bacterias o levaduras a determinados alimentos concentrados, para obtener un aporte mayor en proteínas. Por otra parte, las algas también son utilizadas como fuente de alimento de aves de corral, ganado, gusanos de seda y hasta el mismo ser humano. CONCEPTOS BÁSICOS 182 5.5 AMBIENTE Y MICROORGANISMOS Corresponde a la sesión de GA 5.63 BIOTECNOLOGÍA Y AMBIENTE Las condiciones ambientales de nuestro planeta permitieron el desarrollo de la vida, gracias a las primeras bacterias que produjeron oxígeno, de esta manera y poco a poco se fue dando origen a nuevos seres, que, al adaptarse a los cambios ambientales ocurridos con el transcurrir del tiempo, fueron evolucionando hasta los que conocemos hoy en día. Microorganismos, como algunos protistos, revisten gran importancia para el ambiente, ya que suministran cantidades importantes de oxígeno a la atmósfera y a los océanos. Una de sus principales funciones es la ecológica, ya que se alimentan de algunas bacterias y de esta manera realizan control biológico sobre ellas. Los microorganismos se desarrollan en cualquier fuente de agua, sin ella no podrían subsistir; su diversidad puede ser alterada por factores abióticos, como la temperatura, la salinidad, etc., de tal manera que los microorganismos se han adaptado a estas condiciones y en cada ecosistema acuático se pueden encontrar microorganismos típicos de cada uno de ellos. Dependiendo de la población de microorganismos, el ecosistema adopta ciertas características; por ejemplo, el mar rojo posee esta coloración debido a la presencia de algas rodofíceas. Algunos de los microorganismos que se encuentran en el agua son: la ameba, la euglena, el paramecio, el plasmodium, entre otros. Como resultado de diversas actividades domésticas e industriales, a diario se vierten grandes cantidades de desechos a las corrientes de agua, estos productos contienen, entre otras sustancias, materia orgánica, la cual actúa como abono, origina la formación de grandes cantidades de bacterias anaerobias que consumen el oxígeno disuelto en el agua, deja mínimas cantidades para los organismos de vida acuática, y origina su muerte. Entre los desechos producidos por la industria y que son arrojados a los ríos, se encuentran metales pesados como plomo, cobre y mercurio, entre otros, los cuales son altamente tóxicos. Para descontaminar esta agua, se emplean métodos químicos y biológicos, los primeros, en ocasiones no son siempre viables y en otros casos son muy costosos; en cuanto al método biológico, se emplea el biocontrol utilizando microorganismos como hongos (filamentosos y levaduras), bacterias y protozoos, donde estos últimos se alimentan de bacterias, manteniendo en equilibrio su número. De esta forma, no sólo se puede descontaminar el agua, sino que también se obtiene metano a partir de los residuos, donde ya no hay participación de microorganismos. Este proceso consiste en la fermentación anoxigénica del lodo residual. En la actualidad, las corrientes marinas se ven seriamente amenazadas por la contaminación ocasionada por los derrames de petróleo, el cual es un elemento no biodegradable, que ocasiona la muerte de muchas especies animales y de microorganismos. El Instituto Colombiano del Petróleo (ICP) está adelantando estudios con microorganismos (bacterias), para ver su efectividad en la descontaminación no sólo del agua, sino del suelo con petróleo. 183 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Figura 12. Microorganismos que se encuentran en el ambiente. Los bosques son ecosistemas que cumplen una función importante para la humanidad, pero en la actualidad están siendo utilizados en la industria maderera. Cuando se explota un bosque natural, se puede llegar a romper el equilibrio que allí existe, al ocurrir esto, se contribuye a la proliferación de plagas que pueden interrumpir o alterar las cadenas tróficas. Para controlar este fenómeno en cierta medida, en la actualidad, se recurre al control biológico. El DDT es un insecticida que ocasiona daños irreparables al suelo y al agua, ya que no se descompone con facilidad; por lo tanto, permanece mucho tiempo en el suelo y es transportado a las corrientes de aguas más cercanas. Existe un hongo que es capaz de procesarlo reduciéndolo a una forma de fácil utilización para otros organismos; además de este hongo, existen otros capaces de hidrolizar fungicidas, herbicidas y otras sustancias empleadas en la actividad agrícola. Este proceso lo realizan en forma lenta, por lo cual no se ha optimizado su uso. Uno de los principales problemas mundiales son las basuras, las cuales no son manejadas óptimamente, esto origina contaminación no sólo al suelo, sino al aire y al agua. En las basuras, se pueden encontrar elementos de fácil degradación biológica (biodegradables), pero muchos son de muy lenta degradación (no biodegradables). En la actualidad, existen lugares específicos donde las basuras son enterradas para que los microorganismos realicen su función de degradación, pero ésta es bastante lenta. Actualmente, se está empleando un método llamado compost, el cual consiste en la utilización de determinados microorganismos y de nitrógeno, para acelerar el proceso de degradación; además, este método permite degradar, en forma simultánea, papel, restos vegetales y animales hasta obtener un producto rico en nutrientes, el cual se puede utilizar como abono. CONCEPTOS BÁSICOS 184 3 1 Se colocan verticalmente cuatro estacones de 1-1.20 m en cuadro, dejando 1 m de distancia entre ellos. Depositar todos los días la mezcla de abono preparada; sobre ella espolvorear un puñado de roca fosfórica, celfos o cal dolomita, y una pequeña capa de tierra. 2 Luego, se colocan en forma horizontal (acostados) y en forma cruzada, apoyados en los palos verticales. 4 Así, estará construida en cinco días, aproximadamente, la primera pila. Se debe repetir la operación cada cinco días hasta construir seis pilas. Un mes después de instalada la pila, se retiran los palos horizontales, para que las gallinas puedan escabar y alimentarse con los gusanos y animalitos que se producen por la fermentación del abono. Figura 13. Elaboración de abono orgánico (compost). 5.6 EL SER HUMANO Y LOS MICROORGANISMOS Corresponde a la sesión de GA 5.64 BIOTECNOLOGÍA VERSUS SER HUMANO El ser humano ha disfrutado de los beneficios de algunos microorganismos, ya que los ha empleado en la industria, en la medicina, en la agricultura y en la ganadería. Pero también, al igual que otros seres vivos, padece su efecto negativo cuando le ocasionan enfermedades que pueden ser leves, graves e incluso pueden llegar a ser mortales, como se mencionó anteriormente. Las enfermedades producidas por agentes patógenos dependen de la capacidad del microorganismo de segregar toxinas en el individuo, y de la capacidad de invasión que tenga para desarrollarse en su huésped. Una vez que el agente patógeno invade los tejidos del organismo, se presenta la infección, cuya manifestación depende del microorganismo patógeno, del organismo portador y de las condiciones ambientales. 185 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL A pesar de lo anterior, el cuerpo humano cuenta con mecanismos de defensa para combatirlos, mecanismos que en varias ocasiones no son suficientes; por tal razón, el mismo ser humano ha inducido la inmunidad mediante las vacunas, las cuales constan de fragmentos de microorganismos o microorganismos atenuados. Cuando la vacuna hace contacto con el cuerpo, se activan unas células especiales llamadas linfocitos, que son células del sistema inmunológico; estas células se encargan de la producción de anticuerpos específicos que son capaces de reconocer e inactivar determinados cuerpos extraños que entren en el organismo. Una vez que haya fabricado un anticuerpo determinado, lo puede volver a fabricar sólo con detectar el cuerpo extraño que le corresponda. Como ya se mencionó, la producción de vacunas se hace cultivando grandes volúmenes del microorganismo patógeno, posteriormente se procede a matarlo o a inactivarlo para producir la vacuna. Hay otros métodos para la elaboración de vacunas, uno de ellos consiste en transferir el factor que induce a crear defensas (factor de virulencia) del microorganismo patógeno a una bacteria y permitir su crecimiento en el laboratorio para que lo sintetice. Otro es mediante la síntesis, este método no requiere de microorganismos, lo que se hace es identificar los componentes externos de la célula patógena que originan una respuesta de defensa en el organismo, que por lo general es una proteína, después se identifica su estructura; una vez conocida, se procede a sintetizar cada uno de los aminoácidos en forma independiente, para luego ensamblarlos en un tubo de ensayo, simulando la estructura original de la proteína; por último, se realiza una prueba en un animal, para observar si se produce una respuesta de defensa contra el microorganismo. A pesar de contar con un sistema inmunológico, existen microorganismos patógenos que lo pueden debilitar y de esta manera producir daños (infectarlo), ocasionándole enfermedades que se transmiten de una persona a otra por medios como el agua, los alimentos contaminados, el aire o por contacto directo. Se han fabricado medicamentos especiales para combatir algunos microorganismos, como es el caso de los antibióticos, pero no se puede abusar de ellos, ni automedicarse, ya que, al igual que los seres humanos, los microorganismos cuentan con un sistema inmunológico que produce cepas resistentes a estos medicamentos. Figura 14. Producción de medicamentos. Existe un grupo de bacterias muy útiles para el organismo humano, éstas son las que constituyen la flora intestinal, juegan un papel importante en los procesos digestivos; pero, lamentablemente el mismo ser humano se ha encargado de ir acabando con ellas, mediante la utilización de medicamentos, y también ha sido el mismo ser humano quien, utilizando determinadas técnicas, está implementando y fomentando los cultivos probióticos, que producen organismos resistentes a las medicinas y que permanecen en la flora intestinal. CONCEPTOS BÁSICOS 186 Como introducción al siguiente tema, se presenta un mapa conceptual que resume las utilidades de los microorganismos en los procesos industriales: 187 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 5.7 LOS MICROORGANISMOS Y LA INDUSTRIA Corresponde a las sesiones de GA 5.65 ¡GALLINITA DE LOS HUEVOS DE ORO! Y 5.66 MANOS A LA OBRA... UHM Los microorganismos y los alimentos. En la industria alimenticia los microorganismos se emplean de diversas formas, algunos ejemplos son: • En la producción de vitaminas y coloración de alimentos, se emplean algunos hongos patógenos de las plantas en la producción de vitaminas, como la riboflavina; otros, como las levaduras, son los causantes de la coloración anaranjada de algunos alimentos, como la yema de los huevos y el rosado de las truchas, esta coloración se puede acentuar adicionando levaduras a la alimentación de las aves de corral y de las truchas de criadero. Hay otros alimentos que poseen esta coloración, la cual se debe a los carotenoides, que pueden ser sintetizados por algunos microorganismos. • En la fermentación de algunos alimentos para obtener otros alimentos, mediante la fermentación con levaduras, se puede obtener pan y todos los productos relacionados con esta industria; los productos lácteos (kumis, queso, yogur, mantequilla) se obtienen mediante la fermentación de la leche con determinados microorganismos (bacterias lactobacillus), que bajan su nivel de pH, facilitando la producción de ácido láctico, el cual produce el sabor característico a estos alimentos y permite la formación del cuajo; en algunos quesos especiales, como el camembert, se adicionan unos hongos (mohos) que le dan una coloración y sabor especial. Figura 15. Utilización de microorganismos en la industria alimenticia. • En el sabor característico del café, una vez recolectado y separado el grano de la cáscara, se deja extendido y se adicionan bacterias saprófitas para que se fermente; al descomponerse las cáscaras, se produce un líquido especial que le da el sabor al grano. Los microorganismos productores de combustibles. Hay microorganismos que intervienen en la producción de combustibles como el butanol, que es un alcohol producido por la fermentación del almidón; el etanol, obtenido a partir de la fermentación de la melaza, se emplea para el funcionamiento de motores, adicionándolo a la gasolina en pequeñas proporciones. Microorganismos productores de enzimas. El papel de las enzimas, en procesos metabólicos de las células, es de vital importancia, ya que éstas facilitan los procesos químicos. Mediante la programación de los microorganismos (bacterias y hongos), se pueden obtener determinadas enzimas, que se emplean en la industria textil, la cervecera, la panificadora, la láctea, en la transformación de alimentos, en la elaboración de CONCEPTOS BÁSICOS 188 detergentes, como reactivos químicos empleados en los laboratorios clínicos, para tratar infecciones de la piel, entre otros. Los microorganismos en la industria cervecera y vinícola. Las bebidas alcohólicas, como la cerveza, vino, vodka, whisky, entre otras, son elaboradas con la cooperación de microorganismos como las levaduras, que mediante fermentación sobre un determinado sustrato, dan origen a cada una de ellas. La diferencia entre una y otra radica en el sustrato utilizado, el contenido de alcohol y la temperatura a la cual se someten a fermentación. El vinagre se obtiene cuando el vino se contamina con bacterias, éstas oxidan el alcohol en ácido acético; industrialmente, se obtiene a partir de la fermentación del jugo de la fruta con levadura, posteriormente se emplean las bacterias del vinagre para lograr la transformación hasta el ácido acético. 1 1. Pisado. El pisado, el método tradicional, no solo es una costumbre pintoresca, sino también la mejor manera de romper las uvas para extraer su jugo, su color y el tanino de sus pieles. Textos e imágenes tomadas de: http://www.csgastronomia.edu.mx/ClubVino/vinoelabora.html 2 2. Fermentación. Se puede producir en depósitos cerrados o descubiertos. Las temperaturas se pueden controlar cuidadosamente o no. Cualquiera que sea el procedimiento, esta es la fase en la que las levaduras convierten el azúcar de la uva en alcohol y por lo tanto, el jugo del vino. 3. Sumergir los hollejos. Durante la fermentación, una capa de hollejos sube a la superficie de la masa burbujeante y tiene que ser sumergida regularmente en el fondo, ya sea mecánicamente o empujándola con una vara, para asegurarse de que dejan el color dentro del líquido. 3 4 4. Prensado. Las uvas del vino se estrujan antes de la fermentación, pero al final se lleva a cabo un prensado. La masa sobrante de la pulpa de uva se pone en una prensa para conseguir el tánico (vino de prensa), que puede ser mezclado para mejorar el vino final. 5. Maduración. De hecho, pocos vinos tintos están fermentados en barricas, pero la mayoría de los mejores, especialmente los que se pretende que mejoren con la edad, están parcialmente envejecidos en barricas nuevas de roble para darles profundidad y complejidad. 5 6 6. Trasiego. A medida que maduran, los vinos tintos dejan un sedimento; por ello, son movidos en un proceso llamado “trasiego”, según el cual el vino se desplaza delicadamente de una barrica a otra limpia. El traslado final es la línea de embotellado. Figura 16. Proceso de elaboración del vino tinto. Los microorganismos y la producción de hormonas. Las hormonas son mensajeras químicas que cumplen una función reguladora en el cuerpo humano, ellas viajan por el torrente sanguíneo hasta llegar al órgano o sistema donde se les requiera. Las hormonas son producidas por el mismo organismo, pero gracias a determinados microorganismos, hoy en día éstas se pueden producir semisintéticamente, como es el caso de la cortisona 189 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL y la hidrocortisona, que se obtienen mediante la combinación de dos procesos, uno químico y uno microbiano. Este proceso se realiza a partir de la síntesis química de una molécula, síntesis que se termina de realizar gracias a un microorganismo. Para realizar este proceso, primero se cultiva el microorganismo, hasta obtener grandes cantidades de células, cuando esto ocurre, se le adiciona el esterol para que lo modifique. Los protistos y la industria. Las diatomeas pertenecen al grupo de los protistos, poseen conchas que dejan caer al fondo del medio acuático donde se desarrollan. Éstas se van acumulando con el transcurrir del tiempo hasta ir formando la tierra diatomácea, que es utilizada en la industria odontológica, donde la emplean como abrasivo dental, y en la industria de pinturas, donde la utilizan como aditivo de pinturas reflectoras de luz. Los microorganismos y la medicina. Algunos microorganismos juegan un papel importante en la industria farmacéutica, ya que son precursores de la síntesis de medicamentos como antibióticos y penicilinas, que son utilizados para combatir enfermedades ocasionadas por microorganismos. La acción de los antibióticos radica en las diferencias existentes entre las células de las bacterias y las de los mamíferos. Es el caso de la penicilina, ésta interfiere en la formación de las paredes de las células de las bacterias, reventándolas a causa de la presión osmótica; en cuanto a la tetraciclina y la estreptomicina, éstas atacan los ribosomas de las bacterias, impidiendo la síntesis de proteínas, pero no afectan los ribosomas de los mamíferos. En la actualidad, se conocen aproximadamente cinco mil sustancias antibióticas, muchas de ellas han sido sintetizadas a partir de bacterias. Figura 17. Acción de los antibióticos sobre los microorganismos. Muchas bacterias han creado resistencia a los antibióticos, pero ahora se pueden producir las penicilinas en forma semisintética, mediante la combinación de síntesis microbiológica y química, donde la estructura básica es sintetizada por un hongo; una vez se lleve a cabo este proceso, se le adicionan partes sintetizadas químicamente. Esta síntesis ocasiona cambios en su estructura, evita que la penicilina no actúe al ser atacada y rota por enzimas de bacterias resistentes. Una de las limitaciones que presentan los antibióticos es que no sirven para atacar las infecciones ocasionadas por virus. CONCEPTOS BÁSICOS 190 LA PENICILINA Corresponde a la sesión de GA 5.65 ¡GALLINITA DE LOS HUEVOS DE ORO! Antibiótico (del griego, anti, “contra”; bios, “vida”), se considera a cualquier compuesto químico que es utilizado para eliminar o inhibir el crecimiento de organismos infecciosos. Alexander Fleming (1881-1955) fue un bacteriólogo británico. Nació en Escocia, su formación profesional la llevó a cabo en la Facultad de Medicina del St. May’s Hospital de la Universidad de Londres donde trabajó como profesor catedrático. Desarrolló importantes investigaciones en el campo de la bacteriología, quimioterapia e inmunología. En 1922, descubrió la lisozima, un antiséptico presente en las lágrimas, las secreciones corporales, la albúmina y en ciertas plantas. Pero sus más importantes contribuciones fueron el trabajo de la penicilina. Los estafilococos son un género de bacterias parásitas de forma redondeada, se encuentran en el aire, agua y piel, pueden producir procesos como los forúnculos. Para atacarlos se utilizan las penicilinas sintéticas. La penicilina es un antibiótico derivado de la cepa de hongo Penicillium notatum. Las propiedades de este antibiótico fueron presentadas en 1928 por el científico Alexander Fleming, y los estudios realizados por otros científicos como el bioquímico británico Ernest Boris y patólogo británico Howard Walter. La penicilina actúa matando a las bacterias e inhibe su crecimiento. Sólo destruye a los organismos que están creciendo y multiplicándose, no puede destruir a los que se encuentran en estado latente (estado de reposo). La penicilina no es un solo compuesto, sino más bien un grupo de compuestos estrechamente relacionados, basados en la molécula del ácido 6-amino penicilánico, que consta de dos aminoácidos: la cisteína y la valina. Este antibiótico es efectivo contra un amplio espectro de microorganismos responsables de diversas enfermedades, como el tétanos y la sífilis. Muchas enfermedades producidas por determinadas cepas de estafilococo no se curaban con la penicilina, ya que el organismo produce una enzima la penicilinasa, capaz de destruir el antibiótico, esto llevó a manipular bioquímicamente en el laboratorio el precursor biológico de la penicilina y a partir de él se fabricaron las penicilinas sintéticas; de éstas las más importantes son la ampicilina y la meticilina. La complicación más grave en la administración de la penicilina es la reacción alérgica a ella y a otros medicamentos de ese grupo. La sensibilización de la penicilina se hace a través de pruebas cutáneas de detección. 191 Penicillum, es un género de hongos conocido como mohos verdes o azules, de algunas especies se obtiene penicilina. La reproducción asexual se produce mediante unas células, los conidios, que se forman en el extremo de hifas especializadas. Estos son ramificados y en forma de abanico. De Penicillum notatum se fabricó la primera penicilina, pero luego se utilizó Penicillum chysogenicum que da mayor rendimiento. Tétanos. Es una enfermedad del sistema nervioso causada por la infección de heridas por un bacilo Clostridium tetani; esta bacteria, al multiplicarse produce grandes cantidades de una toxina que origina espasmos musculares graves (contracción involuntaria de los músculos). Este bacilo abunda en las calles y en la tierra de cultivo, penetra al organismo por las heridas, es un germen anaerobio; es decir, que se reproduce en ausencia de oxígeno y su período de incubación oscila entre dos semanas y varios meses. BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 5.8 BIOTECNOLOGÍA Y ÉTICA Corresponde a la sesión de GA 5. 67 ¿Y DE LA ÉTICA QUÉ? El trabajo en biotecnología presenta tanto beneficios como dilemas que la ciencia y la tecnología siempre han ofrecido al ser humano. Para algunos casos, se han presentado grupos que restringirían los usos de la biotecnología y preferirían que las técnicas de DNA recombinante nunca se hubieran desarrollado. Otros grupos sienten que los beneficios sobrepasan a los inconvenientes y que cualquier error puede llegar a subsanarse. Uno de los aspectos éticos relacionados con la biotecnología es la objeción de que algunas aplicaciones pueden ser indeseables, desde el punto de vista social. Por ejemplo, en la década de los ochenta, una empresa saca al mercado una hormona de crecimiento bovino mediante técnicas de DNA recombinante. Algunas personas se oponen a esta práctica por tres razones principales: se produce un cambio en la composición de la leche, aunque expertos de los Institutos Nacionales de Salud han concluido que los cambios son menores y no representan ninguna amenaza para la salud; la gran producción de leche puede ocasionar mayor incidencia de infecciones de las ubres en las vacas, que llevaría a la aplicación de antibióticos, que a su vez pueden producir un aumento de resistencia a los antibióticos en los microbios; en algunos países hay saturación de leche, si se presenta una mayor producción de leche por vaca, puede llegar a reducir los precios aún más y eliminar del mercado a los pequeños productores. amniocentesis líquido amniótico (contiene algunas células fetales) vellosidades coriónicas muestreo de vellosidades coriónicas (por solución) Por otra parte, en la actualidad, para la especie humana, existen dos técnicas que se utilizan principalmente para obtener muestras prenatales: la amniocentesis y el muestreo de vellosidades coriónicas. Una vez que se han obtenido las muestras, pueden realizarse varias pruebas, incluyendo algunas que utilizan técnicas de ADN recombinante, las cuales permiten el diagnóstico prenatal de muchas enfermedades genéticas. Figura 18. Dos métodos para obtener muestras de tejido fetal. En casos como el expuesto anteriormente, la sociedad quisiera intervenir en el uso específico de la biotecnología, por razones de salud pública, aspectos económicos y justicia social. El tema de dilemas son las consecuencias y no el método. Los miembros vinculados a la ingeniería genética aseguran que los seres vivos han practicado la ingeniería genética durante milenios, al cruzar plantas y animales con propiedades deseables. La biotecnología que se trabaja en esta época es sencillamente una versión más rápida y precisa de la práctica de la agricultura y la ganadería estándar. CONCEPTOS BÁSICOS 192 Hace aproximadamente 100 años, cuando nadie conocía la naturaleza de las enfermedades hereditarias, las opciones eran limitadas y las responsabilidades pocas. Un futuro padre y madre no podía saber si en su información genética portaba un defecto heredado, no contaba con la posibilidad de predecir la probabilidad de tener un niño afectado hasta que el niño nacía o en su desarrollo. La situación ha cambiado, hoy en día, muchas personas saben que son portadoras de un gen defectuoso y los genetistas pueden predecir las probabilidades que hay de tener un hijo afectado. Se cree que la mejor solución es dar a la gente la información más precisa posible acerca de su constitución genética y la de sus futuros hijos. Las elecciones, independientemente de sus consecuencias para la sociedad, seguirán realizándose individualmente. La biotecnología ha suscitado nuevos problemas éticos y legales. Comenzando por los largos litigios para decidir si las nuevas formas de vida creadas por manipulación genética son o no patentables. Cabe también preguntarse cómo se distribuirá, tanto en el ámbito social como mundial, el beneficio de la biotecnología. La investigación en biotecnología es costosa, sobre todo en cuanto al grado de especialización de los investigadores, requiere unas excelentes comunicaciones internacionales, y un gran dinamismo en la dotación y utilización de recursos. Precisamente, los países en vía de desarrollo, los que más podrían aprovechar de los beneficios de esta investigación, tienen en general grandes deficiencias en estos aspectos. ¿Se podría mejorar el ser humano?, posiblemente se intentará, pero la decisión sobre qué es bueno y qué es un defecto escapa por completo a la lógica científica, por fortuna aún nos queda mucho por conocer, para que muchos procedimientos sean técnicamente viables en los seres humanos. En ese tiempo, deberíamos reflexionar sobre qué cosas o no serán convenientes. Lo que si está previsto es que a nivel mundial, la gran revolución tecnológica, en el siglo XXI, será la de la biotecnología. 5.9 BIOTECNOLOGÍA EN COLOMBIA Corresponde a la sesión de GA 5.67 ¿Y DE LA ÉTICA QUÉ? La orquídea es la flor nacional de Colombia, donde se desarrolla una inmensa variedad de ellas; pero, en unos años, Japón puede ser el gran exportador de orquídeas del mundo, esto gracias a los avances que han hecho en el desarrollo de variedades que crecen en forma rápida, en ambientes controlados. Con lo anterior, se puede afirmar que en un mundo donde la biotecnología se ha impuesto, la biodiversidad es una ventaja relativa, lo importante es saberla utilizar. La biotecnología, en la actualidad, está centrada en los siguientes campos: en el sector agrícola, donde se producen variedades de cultivos resistentes a plagas y sequías, con un número mayor de nutrientes y con un proceso de reproducción más rápida; el otro sector es en el farmacéutico, donde se está trabajando para la producción de drogas, para tratar enfermedades incurables como el cáncer y el mal de Parkinson. Entre las variedades de la biotecnología, está la transformación de técnicas de producción, desarrollo de nuevos materiales, control de desperdicios y mejoramiento de la protección del ambiente. En Colombia, para que la biotecnología logre el desarrollo que se espera, debe principal193 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL mente fortalecer su sistema de investigación y generar negocios alrededor de ésta. De todas maneras, el gobierno ha empezado a implementar cultivos de algodón y de maíz genéticamente modificados. Uno de los campos de la biotecnología es el trabajo en genética y éste ha estado enmarcado en identificar la función de secuencias genéticas específicas de diferentes tipos de organismos y la posibilidad de tomar información genética de un organismo y trasplantarla a otro. En este campo, se han generado variedades vegetales, razas animales y materiales nunca antes vistos. El ser humano ha utilizado solo 5 000 especies de plantas de las 250 000 que existen. Grandes capitales se están movilizando para aprovechar las nuevas oportunidades en agroindustria, farmacéutica y química. Los avances de la biotecnología han desatado una serie de fusiones de compañías que buscan posicionarse en la intersección de estos tres sectores, sus actividades abarcan desde la investigación hasta la aprobación de productos, su proceso industrial y mercadeo. El siguiente cuadro nos muestra los diversos campos en los cuales, la revolución biotecnológica, se está implementando en diferentes países del mundo: AGROINDUSTRIA SALUD Desarrollos en el mercadeo • Algodón y maíz resistentes a los insectos. • Arroz, maíz, papayas, papas resistentes a enfermedades virales. • Tomates que duran frescos más tiempo. • El área dedicada a cultivos transgénicos en el mundo llegaba a 40 millones de hectáreas, en 1999. Desarrollos en el mercado • Las medicinas basadas en biotecnología ya han sido empleadas por más de 200 millones de personas en el mundo. • Existen tratamientos basados en biotecnología para anemia, fibrosis, leucemia, hepatitis, rechazo de transplantes y muchas formas de cáncer. Esperados en los próximos cinco años • Arroz con contenido superior de vitamina A. • Incremento de vitamina E en aceites de soya y maíz. • Adición de componentes antialérgicos en alimentos como la leche. • Banano resistente a la sigatoka negra. • Pan que permanece fresco durante varios días. • Salmones y truchas de cultivo que alcanzan 7 libras en 18 meses. • Alimentos antibióticos. Esperados en los próximos cinco años • Xenotrasplantes: uso de órganos animales cuando fallan los de los humanos. • Reductores del colesterol y la hipertensión. • Curas para artritis y asma. • Reemplazo de piel y tejidos por componentes desarrollados en el laboratorio. • Curas para algunas enfermedades. QUÍMICOS Esperados para los próximos cinco años • Aditivos para la gasolina. • Reductores de azufre en el petróleo. • Aditivos plásticos. • Químicos textiles. • Químicos finos. • Manejo de aguas. • Mecanismos de reducción de la contaminación en procesos industriales. Figura 19. La revolución biotecnológica. Las empresas de ciencias están sujetas a grandes presiones para lograr nuevos descubrimientos, y la preocupación radica en el acceso a los recursos biológicos, aquellos países que sepan trabajar las características únicas de la riqueza biológica pueden tener avances significativos en el campo de la biotecnología; por ejemplo, India es un excelente CONCEPTOS BÁSICOS 194 campo de estudio para las enfermedades hereditarias, pues el sistema de casta y la existencia de numerosas tribus aisladas hace que se pueda establecer con facilidad el árbol genealógico de grandes núcleos de la población, por largos períodos. Países como Colombia y Brasil pueden aprovechar su megabiodiversidad para desarrollar una gran variedad de conocimientos que los líderes mundiales estarían obligados a buscar. Las técnicas de diagnóstico basadas en técnicas genéticas permiten niveles de precisión nunca antes vistos, reducen drásticamente el margen de error en el tratamiento de una enfermedad. En cuanto a capacidades de investigación en Colombia, el Programa Nacional de Biotecnología identificó ocho programas de doctorado, en universidades colombianas, en áreas relacionadas con la biotecnología, con aproximadamente 90 investigadores con doctorado y 138 con títulos de maestría. El país tiene una trayectoria en la investigación que podría calificarse de intermedia en términos internacionales, pues si bien está rezagado frente a los líderes del mundo en desarrollo, como Brasil e India, ya cuenta con una base respetable de investigadores y entidades especializadas en el desarrollo de conocimiento. Varias universidades y centros de investigación tienen ya prestigio internacional y están avanzado en estos campos. Centro Nacional de Investigación de Café (Cenicafe) ha sido identificado como el mejor centro de investigación sobre café en el mundo. Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia (Cenicaña) participa en una red internacional, con la universidad de Cornell y otros centros académicos de primer orden en el mundo, que están mapeando el genoma de la caña de azúcar. El Centro de Investigaciones Biológicas trabaja en biopesticidas a base de bacterias, hongos que atacan insectos y biofiltros para eliminar residuos tóxicos. Otros centros son Corporación Colombiana para la Investigación Agropecuaria (Corpoica), trabaja en control de plagas y aceleración de maduración de productos a través de la ingeniería genética. El Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) está desarrollando una variedad de arroz modificado genéticamente resistente al virus de hoja blanca. El Centro Internacional de Física de la Universidad Nacional ha patentado un gen que tiene numerosas aplicaciones industriales. El Instituto de Genética Humana de la Universidad Javeriana, tiene más de 200 PhD vinculados laboralmente. Manuel Elkin Patarroyo está a punto de sacar vacunas sintéticas basadas en manipulación genética. En la Universidad de Antioquia se están desarrollando, en laboratorio, biomateriales que permiten reemplazar tejido óseo y de la piel. Corpogen, una empresa privada realiza pruebas de compatibilidad genética previas al trasplante de órganos. Éstos son algunas de las entidades que trabajan la biotecnología de avanzada en Colombia. Sin embargo, el país debe acelerar su tránsito hacia el trabajo en las técnicas avanzadas de la genómica, que se considera la puerta del desarrollo en este milenio. Colombia cuenta con una abundante biodiversidad y una buena base científica intermedia para asumir este reto, para ello es necesario generar un gran propósito nacional, una iniciativa colectiva que capture la imaginación y canalice el trabajo de científicos, empresarios, el gobierno y la comunidad en general. 195 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL 5.10 HISTORIA DE LA CIENCIA Corresponde a la sesión de GA 5. 68 INVESTIGADORES PIONEROS EN BIOTECNOLOGÍA La biotecnología no es ninguna novedad, pues ha sido practicada, al menos, desde que los sumerios crearon un método de fermentación para producir cerveza, cerca del año 1750 a. de C. Luego, en el año 500 d. de C., los Chinos desarrollaron una cuajada a partir del fríjol de soya que sirve como antibiótico. Entre los científicos que contribuyen con la biotecnología, podemos mencionar a Antony Van Leeuwenhoek (se considera como el más antiguo bacteriólogo), descubre los organismos microscópicos. El siguiente párrafo, escrito por él, es en el que por primera vez menciona los animáculos en su carta fechada en Amsterdam el 7 de septiembre de 1674: A casi dos horas de esta ciudad existe, tierra adentro, un lago llamado el Berkelse, cuyo fondo, en numerosos puntos, es turboso o pantanoso. En invierno sus aguas son muy claras, pero a mediados de verano se vuelven blanquecinas con pequeñas nubes verdes que flotan; según los lugareños, esto se debe al rocío que suele caer por ésta época del año y que ellos llaman miéllée. Estas aguas son muy ricas en peces, muy buenos y gustosos. Al pasar por el lago a una hora tardía, justo en un momento en que el viento soplaba con bastante fuerza, y viendo el agua tal como la acababa de describir, cogí un poco en un frasco de vidrio y, cuando al día siguiente la examiné, encontré en ella partículas de tierra y ciertas bandas verdes enrolladas en espiral a la manera de serpientes y dispuestas en perfecto orden como los serpentines de cobre o estaño que los destiladores utilizan para enfriar los licores una vez destilados. La circunferencia de cada una de éstas bandas tenía casi el espesor de un cabello. Otras partículas tenían sólo el extremo de estas bandas, pero en conjunto no constituían más que en unos glóbulos verdes muy pequeños unidos entre sí: estos pequeños glóbulos eran también muy abundantes. Entre ellos nadaban gran cantidad de pequeños animáculos, algunos de los cuales eran redondeados, mientras que otros un poco más gruesos, eran ovalados. Vi que estos últimos tenían dos pequeñas patas cerca de la cabeza y dos aletas en el extremo del cuerpo. Otros eran algo más alargados que ovales; éstos se desplazaban muy lentamente y eran poco numerosos. Estos animáculos tenían diferentes colores: unos eran blanquecinos y transparentes; otros verdes con escamas muy pequeñas y brillantes; los había verdes en la parte media del cuerpo y blancos en los extremos, y aún otros grises. Los desplazamientos en el agua de la mayoría de ellos eran tan rápidos, tan variados, hacia arriba, hacia abajo y sobre sí mismos, que confieso haber quedado asombrado viéndoles. Calculo que estas criaturas eran mil veces más pequeñas que las más pequeñas que había visto en la corteza del queso, en la harina, el moho y otros... En 1837, tres investigadores Cagniard-Latour, Th. Schwann y F. Kützing propusieron que la levadura que aparece durante la fermentación alcohólica era una planta microscópica, la cual convertía los azúcares en alcohol etílico y dióxido de carbono. Pero esta teoría fue refutada por el campo de la química a finales del siglo XVII y principios del XIX, la cual no se interesó en los seres infinitamente pequeños a excepción del fermento. La levadura es CONCEPTOS BÁSICOS 196 el único organismo que logró interesar a los investigadores; pero ellos no se interesaron por el fermento, sino la reacción de la fermentación a la cual se referían de la siguiente manera: Recientemente se ha reconocido que un cuerpo, cuando se combina o se descompone, a menudo ejerce cierta influencia sobre otras sustancias que se encontraban en contacto con él. Liebig plantea que la experiencia demuestra que este fermento no es otra cosa que un cuerpo nitrogenado. Con otros dos colegas Berzelius y Wöhler mantenían el punto de vista de que la fermentación y la putrefacción eran procesos puramente químicos. Fue Pasteur, entre 1857 y 1876, químico de carrera, quién llegó a convencer al mundo científico que todos los procesos fermentativos son el resultado de la actividad microbiana, llegó a esta conclusión a partir del siguiente trabajo: Los destileros de Lille, en donde la fabricación de alcohol a partir de la remolacha constituía una importante industria local, habían tropezado con dificultades y acudieron a Pasteur en busca de ayuda. Pasteur encontró que sus fallas se debían al hecho de que la fermentación alcohólica había sido remplazada, en parte, por otra clase de proceso fermentativo que daba como resultado la conversión del azúcar en ácido láctico. Cuando examinó microscópicamente el contenido de las vasijas de fermentación en las que se estaba formando el ácido láctico, encontró que las células de levadura habían sido reemplazadas por unos bastoncitos o esferas mucho más pequeños. Pasteur estudió un número considerable de procesos fermentativos. Logró demostrar que la fermentación iba invariablemente acompañada del desarrollo de microorganismos. Además, demostró que cada tipo de fermentación va acompañado del desarrollo de un tipo específico de microorganismo. Los aportes de este científico, en el campo de la medicina, se encaminaron a comprobar que algunos organismos microscópicos eran los causantes de determinadas enfermedades como el cólera y el carbunco, que afecta el tracto gastrointestinal y los tejidos subcutáneos. Sus trabajos se orientaron hacia la antisepsia y la producción de la vacuna antirrábica. Otro investigador, que aportó a la microbiología, es el médico alemán Robert Koch, quien logró demostrar en 1876 que algunos microbios, como las bacterias, podían causar enfermedades a los animales, con base en enfermedades presentadas en personas y otras especies animales. Las investigaciones realizadas por este científico lograron desarrollar un método experimental para identificar los microorganismos causantes de enfermedades como la tuberculosis pulmonar ocasionada por el bacilo de Koch. 197 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS Abrasivo. Producto o sustancia dura capaz de desgastar y pulimentar por frotamiento. Acetilcolina. Sustancia química liberada por los nervios parasimpáticos durante el funcionamiento. Acetona. Compuesto orgánico, de consistencia líquida, incoloro, volátil e inflamable, se emplea como disolvente. Adaptación. Propiedad de los seres vivos que les permite subsistir y acomodarse cuando varían las condiciones del medio. Adenina. Base nitrogenada contenida en todas las células vivas, derivada de la purina, hace parte del ADN y del ARN. ADN. Ó Acido desoxirribonucleico, constituyente esencial de los cromosomas, de los organismos celulares y la mayoría de virus. Afrecho. Cáscara del grano, desmenuzado por la molienda, se denomina también salvado. Albinismo. Ausencia congénita y hereditaria del pigmento melánico en la piel y en el pelo, que son de color blanquecino, mientras que los ojos son rojizos. Alcohol. Compuesto químico del carbono, que contiene el grupo OH; es un subproducto de la digestión y de varios procesos químicos que suceden al interior de las células. Alelo. Una de las dos o más formas de un gen dado. Alevino. Pez pequeño destinado a la repoblación de las aguas de estanques y ríos. Alquitrán. Sustancia oscura y viscosa que se obtiene por destilación de la madera, petróleo, carbón, etc. Alucinación. Sensación subjetiva que no va precedida de impresión en los sentidos. Ameba. Organismo unicelular que vive en aguas dulces o saladas, y que se desplaza por medio de pseudópodos, una de cuyas especies es parásito intestinal humano (Eschericha coli). Analfabetismo. Ausencia de instrucción elemental en las personas. Anélido. Relativo a un tipo de gusano anillado formado por una serie de segmentos sin patas. Un ejemplo de éstos es la lombriz de tierra. CONCEPTOS BÁSICOS 198 Anemia. Enfermedad de la sangre, que consiste en la disminución de glóbulos rojos, o de su contenido en hemoglobina. Antialérgico. Que se resiste a la acción de una sustancia. Antibiótico. Producto microbiano, o sus derivados, que destruye microorganismos susceptibles o inhibe su crecimiento. Anticuerpo. Glucoproteína producida como respuesta a un antígeno, posee la capacidad de combinarse con el antígeno que estimuló su producción. Artejo. Cada una de las piezas articuladas que forman los apéndices segmentados de los artrópodos. Artritis. Enfermedad que consiste en la inflamación de las articulaciones. Asma. Afección caracterizada por accesos de disnea respiratoria. Átomo. Es la unidad más pequeña de un elemento que puede conservar sus propiedades químicas del mismo, compuesto de un núcleo atómico que posee protones y neutrones, junto con electrones que circulan en torno al núcleo. ATP. Ó Adenosin Trifosfato, es una molécula presente en todos los seres vivos, fuente principal de energía de la célula para que pueda realizar todo tipo de funciones. Autoduplicación. Uno de los procesos que lleva a cabo el material genético, consistente en hacer una copia idéntica de su estructura. Autogestión. Entendida como la autonomía en la toma de decisiones y en la realización de acciones que fortalezcan un proyecto. Autosoma. Variedad de cromosomas que no intervienen en la determinación del sexo, por lo tanto están presentes tanto en el hombre como en la mujer. Azar. Causa a la que se le atribuyen acontecimientos que se les consideran sometidos únicamente a la probabilidad o cuya causa real se desconoce. Azúcar. Sustancias orgánicas formadas por carbono, hidrogeno y oxígeno, sirven como fuente de energía en el organismo. Azufre (S). Elemento no metálico, de color amarillo, inodoro, hace parte de la estructura de varios compuestos. Bacilo. Bacteria en forma de bastoncillo. 199 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Bacteria. Organismo unicelular, microscópico, se encuentra en casi todos los ambientes, caracterizado por la ausencia de núcleo. Bambú. Planta gramínea, leñosa de los países cálidos, cuya caña alcanza hasta 25 m de altura. Se utiliza para la fabricación de muebles y viviendas. Beriberi. Enfermedad causada por la deficiencia de la vitamina B1, se caracteriza por trastornos intestinales, edemas y trastornos nerviosos. Biodiversidad. Diversidad de organismos que viven en una región determinada. Biológico. Relacionado con los fenómenos vitales de los organismos. Bioma. Cada uno de los grandes medios del planeta: océano, bosque, pradera, conjunto de aguas dulces, etc. Biósfera. Conjunto formado por los seres vivos tanto en la corteza terrestre como alrededor de ésta. Biotecnología. Parte de la ciencia que estudia la obtención de productos útiles a partir de células vivas. Bocadillo. Dulce hecho a base de guayaba. Bocio. Enfermedad de la glándula tiroides, se caracteriza por un aumento de su tamaño y se visualiza por una inflamación en la cara anterior del cuello. Bovino. Rumiante que se caracteriza por tener cuernos óseos como el buey y la vaca. Bozo. Vello que apunta sobre el labio superior. Brote. Lugar en la planta donde empieza a desarrollarse un órgano. Cadmio (Cd). Elemento químico metálico, blanco, se utiliza como material de control o protección en las plantas de energía. Calcio (Ca). Es un elemento químico que pertenece al grupo de los metales. Se encuentra en los dientes y huesos, y como componente de complejos proteínicos que intervienen en procesos de contracción muscular, transmisión de impulsos nerviosos y coagulación de la sangre. Cáncer. Tumor maligno que se origina por la multiplicación desordenada de las células de un tejido o de un órgano. Cápside. Cubierta o capa proteíca que rodea al ácido nucleico de un virión. CONCEPTOS BÁSICOS 200 Carbohidratos. Grupo de compuestos conformados por carbono, hidrógeno y oxígeno; el grupo de los carbohidratos está formado principalmente por: azúcar, almidón, celulosa y glucógeno; sustancias indispensables en la dieta alimentaria del ser humano y de los animales. Carbono (C). Elemento fundamental para los organismos vivos, ya que forma un sinnúmero de compuestos orgánicos. Casta. Grupo social hereditario y endogámico, compuesto por individuos que generalmente realizan una actividad común. Cebar. Dar o echar cebo a los animales para engordarlos o atraerlos. Celulosa. Sustancia macromolecular del grupo de los glúcidos, contenida en las membranas de las células vegetales. Centeno. Cereal cultivado en tierras pobres de climas fríos, por sus granos y como forraje. Cepa. Población de organismos que descienden de un único organismo o de un cultivo puro. Chernobil. Ciudad al norte de Ucrania, ubicada a 20 kilómetros de la central de energía, cuyo reactor nuclear causó el 26 de abril de 1986 la peor catástrofe nuclear hasta la fecha. Cilio. Apéndice en forma de hilo que se extiende desde la superficie de algunos protozoos que se desplazan rítmicamente para moverlos. Cirrosis hepática. Es una enfermedad propia del hígado, que consiste en la muerte progresiva de las células que lo componen. Citoplasma. Parte fundamental de la célula que rodea el núcleo y donde se encuentran suspendidos los demás organelos. Citosina. Base orgánica nitrogenada, derivada de la pirimidina, hace parte del ADN y del ARN. Cloaca. Orifico común de las vías urinarias, intestinales y genitales de las aves y otros vertebrados. Clorofila. Pigmento fotosintético verde compuesto por un gran anillo de tetrapirrol con un átomo de magnesio en el centro. Interviene en el proceso de fotosíntesis. Cloroformo. Líquido incoloro de fórmula CHCl3, de olor etéreo, que resulta de la acción del cloro sobre el alcohol y que se utiliza como anestésico. 201 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Cobertizo. Sitio cubierto rústicamente para resguardar hombres, animales o materiales. Coco. Células bacterianas más o menos esféricas. Colágeno. Proteína de las fibras del tejido conectivo. Colesterol. Sustancia grasa de origen animal presente en todas las células, en la sangre y en menor proporción en la bilis. Colonia. Grupo o conjunto de microorganismos que se multiplican sobre una superficie sólida, como la de un medio de cultivo con agar. Compuesto. Sustancia formada por varios elementos químicos. Concentrado. Alimento suministrado a algunos animales, el cual contiene todo el requerimiento nutricional. Convulsión. Contracción muscular intensa de origen patológico, involuntaria, se evidencia por movimientos bruscos de los ojos, boca, dientes y lengua, se considera un síntoma habitual de la epilepsia. Coprológico. Relativo a la materia fecal. Costumbre. Manera de obrar establecida por un largo uso o adquirida por repetición de actos. Creatividad. Capacidad humana de producir contenidos mentales y materiales de cualquier tipo. Crustáceo. Grupo de animales que pertenecen a los artrópodos, fundamentalmente acuáticos, de respiración branquial y cuyo caparazón está formado por quitina impregnada de caliza, además presentan mandíbulas y dos pares de antenas. Un ejemplo de éstos es el cangrejo y la langosta. Cuerpo lúteo. Es una estructura que se desarrolla en el ovario, en el sitio que era ocupado por un óvulo maduro, que ha sido expulsado durante el proceso de ovulación. Descendencia. Conjunto de hijos y demás generaciones sucesivas. Deshidratar. Eliminar total o parcialmente el agua contenida en un cuerpo. Despilfarro. Derrochar o malgastar los recursos naturales. Diabetes. Enfermedad que se caracteriza por exceso de azúcar en la sangre y se manifiesta por una abundante eliminación de orina. CONCEPTOS BÁSICOS 202 Dilución. Disminución de la concentración de una sustancia a través de la adición de otra. Dióxido de carbono. Gas incoloro, se produce por combustión u oxidación de materiales que contienen carbono. Diploide. Célula u organismo que contiene dos series idénticas de cromosomas por núcleo. Disnea. Dificultad de respirar. Dominante. Relación entre dos alelos, en la que uno de ellos enmascara el efecto del otro. Ducto o conducto. Canal cubierto que sirve para dar paso a diferentes tipos de sustancias. Ecológico. Relacionado con el estudio científico de las relaciones entre los seres vivos y el medio ambiente en que viven. Endocrino. Relacionado con secreciones que suceden al interior del organismo, por acción de las glándulas. Endosperma. Tejido presente en el embrión de las plantas, que sirve como alimento. Enzima. Sustancia orgánica soluble que provoca o acelera una reacción bioquímica. Equilibrio. Función que asegura el mantenimiento del cuerpo en posición vertical y cuyo centro principal es el cerebro que reacciona ante los mensajes del oído interno. Escorbuto. Enfermedad producida por la carencia de vitamina C en la alimentación, se manifiesta por hemorragias múltiples, caída de dientes y alteraciones en las articulaciones. Espiroqueta. Bacteria flexible con forma de espiral y flagelos periplasmáticos. Esquizofrenia. Sicosis caracterizada por la ruptura del contacto con el mundo exterior. Estéril. Que no da fruto, o que no produce nada. Esteroide. Nombre genérico de compuestos que comprenden ácidos biliares, hormonas sexuales y vitamina D. Estratificado. Disposición en capas paralelas. Éter. Compuesto químico, inflamable, de olor fuerte, que se utiliza para disolver grasas y resinas. 203 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Ética. Conjunto de principios y normas morales que regulan las actividades humanas. Eucariótica. Célula con una elevada organización, núcleo rodeado por una membrana y varios organelos en el citoplasma. Evolución. Derivación de especies de organismos vivientes, de otras ya existentes a través de un proceso de cambio más o menos gradual a través del tiempo. Farmacéutica. Conjunto de conocimientos relacionados con la preparación de medicamentos. Fermentación. Reacción anaeróbica que convierte al ácido pirúvico producido por glucólisis en ácido láctico o en alcohol y CO2. Fibrilla. Filamento muy pequeño liso o estriado que hace parte tanto del sistema nervioso como de las fibras musculares. Fibrosis. Enfermedad que consiste en la degeneración de un tejido muscular o viceral en tejido fibroso cicatricial. Filial. Es la relación de procedencia entre el progenitor y los descendientes. Filiforme. Que tiene forma o apariencia de un hilo. Fique. Planta textil con hojas radicales, carnosas en forma de pirámide triangular. Fibra de pita de la que se hacen cuerdas o lazos. Flagelo. Apéndice delgado en forma de hilo, presente en muchas células procarióticas y eucarióticas responsables de su movilidad. Foliolo. Hoja pequeña; cada división del limbo de una hoja compuesta. Formaldehído (metanol). Compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno; es el más simple de los aldehídos, se utiliza para fabricar colorantes, productos textiles e insecticidas. Fosfato. Abono inorgánico constituido por diversas clases de fosfatos solubles. Fósforo (P). Elemento químico del grupo de los no metales, de olor desagradable. Se encuentra en los seres vivos bajo forma de fosfatos de calcio, en los huesos y dientes y en el ácido desoxirribonucleico. Fotorreceptor. Órgano relacionado con la percepción de sensaciones luminosas. Fotosíntesis. Captación de energía lumínica y su conversión en energía química, que se utiliza para producir CO2 y luego incorporarlo en una forma orgánica. CONCEPTOS BÁSICOS 204 Frecuencia. Número de vibraciones, ondas o ciclos por segundo de cualquier fenómeno periódico. Frigorífico. Establecimiento industrial enfriado artificialmente para conservar alimentos. Gazapo. Conejo joven. Gen (gene). Unidad básica de la herencia que ocupa un locus (posición) específico en el cromosoma y tiene una función específica. Genealogía. Serie de los ascendientes de una persona o una familia. Generación. Sucesión de descendientes en línea recta. Genético. Relacionado con el estudio de la herencia y los fenómenos referentes a la variación de las especies. Gestación. Proceso del desarrollo del embrión en las hembras vivíparas desde su concepción hasta el parto. Gestión. Proceso donde se determinan las competencias y responsabilidades propias y de los demás frente a las alternativas de solución de una problemática. Gingivitis. Inflamación de las encías. Glándula. Órgano constituido por células diferenciadas, que segrega sustancias indispensables para el funcionamiento del organismo. Glucógeno. Glúcido complejo, forma de reserva de la glucosa en el hígado y los músculos. Glucosa. Azúcar monosacárido, de fórmula C6H12O6, que se encuentra en algunos frutos como las uvas, entra en la composición de todos los glúcidos y desempeña un papel fundamental en el metabolismo de los seres vivos. Gónada. Glándula del aparato reproductor masculino (testículo) y femenino (ovario), encargada de la elaboración de gametos. Grava. Mezcla de piedras, arena y arcilla, destinada al mantenimiento de carreteras y caminos. Guanina. Base orgánica nitrogenada, que hace parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Guisante (arveja). Planta herbácea, que se cultiva por su fruto comestible, rico en almidón. 205 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Hábitat. Territorio en el que una especie o un grupo de especies encuentra un complejo uniforme de condiciones de vida a las que están adaptados. Haploide. Organismo que posee un solo conjunto de cromosomas por núcleo. Helio (He). Elemento químico, que pertenece al grupo de los gases nobles. Existe en una cantidad muy pequeña en el aire. Hemipene. Pene u órgano viril rudimentario. Hemólisis. Proceso a través del cual se destruyen los glóbulos rojos, en la sangre o en los tejidos. Hepatitis. Enfermedad que consiste en la inflamación del hígado, causada por virus, fármacos o sustancias tóxicas. Herencia. Tendencia en los seres vivos de reproducir los caracteres de sus antepasados. Hermafrodita. Que tiene los órganos reproductores de los dos sexos (masculino y femenino). Heterótrofo. Organismo que utiliza moléculas orgánicas preformadas, reducidas como principal fuente de carbono. Híbrido. Organismo originado por el cruce de dos especies diferentes. Hidrógeno (H). Elemento gaseoso, inodoro e incoloro. En estado libre sólo se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera. Combinado forma parte del agua, de numerosos compuestos minerales y de todos los cuerpos orgánicos. Hidrolizar. Descomponer sustancias orgánicas por acción del agua. Hipertensión. Aumento de la tensión de las paredes de una cavidad, cuando la presión de los líquidos que contiene es superior a la normal. Hipótesis. Proposición que resulta de una observación o de una inducción y que debe ser probada. Homólogo. Son cromosomas que tienen un estrecho parecido entre sí. Huésped. Cuerpo de un organismo que aloja a otro. Se puede considerar como un microambiente que protege y mantiene el crecimiento y la multiplicación de organismos parásitos. Impermeable. Cuerpo que no puede ser atravesado por los líquidos. CONCEPTOS BÁSICOS 206 Impulso. Oscilación de frecuencia muy elevada, que sucede periódicamente en el tiempo. Infraestructura. Conjunto de servicios considerados como esenciales en la creación de una empresa. Inmunidad. Se refiere a la capacidad general de un huésped para resisitir una enfermedad particular; condición de ser inmune. Inóculo. Germen o virus introducido por otra persona en el organismo. Insulina. Hormona secretada por el páncreas, la cual reduce la concentración sanguínea de glucosa. Internalizar. Asimilar ideas, emociones, etc., que provienen del exterior, de forma que no se distinguen como adquiridos. Ión. Átomo o grupo de átomos que han ganado o perdido uno a varios electrones. Iris. Membrana pigmentada del ojo, situada detrás de la córnea y delante del cristalino y atravesada por un orificio, la pupila. Leguminosa. Plantas cuyo fruto o semilla se producen dentro de una vaina como el guisante, fríjol, soya, garbanzo, cacahuate. Lente convergente. Instrumento óptico que hace dirigir a un mismo punto los rayos primitivamente paralelos. Lente divergente. Instrumento óptico que hace que diverjan (irse apartando sucesivamente) los rayos primitivamente paralelos. Lesión. Alteración patológica en la textura de los órganos como llaga, contusión, inflamación, tumor, etc. Letal. Mortífero, mortal. Leucemia. Enfermedad de los órganos formadores de las células sanguíneas, se caracteriza por la proliferación de glóbulos blancos o leucocitos en la médula ósea y en la sangre periférica. Linfocito. Leucocito mononuclear no fagocítico; esta célula o su precursora es competente inmunológicamente. Los linfocitos están presentes en la sangre, la linfa y los tejidos linfoides. Lípido. Sustancia orgánica corrientemente denominada grasa, son compuestos estructurales de las membranas celulares y también apreciables sustancias de reserva. 207 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Lisosoma. Organelo que se encuentra en las células, contiene enzimas digestivas para poder degradar moléculas complejas. Locus. Posición que ocupa un determinado gen en un cromosoma. Logística. Conjunto de medios necesarios para la organización, durante una situación determinada. LSD. Dietilamina del ácido lisérgico; fármaco alucinógeno, produce cambios en la personalidad del individuo que lo consume. Además, altera la percepción del espacio y el tiempo. Magra. Carne flaca o delgada sin grasa. Maleza. Abundancia de hierbas que se desarrollan dentro de los cultivos, afectándolos. Malformación. Alteraciones morfológicas congénitas de un tejido o de un órgano del cuerpo humano. Maxilar. Hueso de la cara situado en la región antero-inferior, conformado por dos huesos que se articulan entre sí y forman la bóveda del paladar. Mazorca. Espiga densa y apretada que da un gran número de granos que crecen unos juntos a otros. Médula ósea. Hace parte de la estructura de los huesos, está formada por dos tipos de tejidos: amarillo (tejido adiposo) y rojo (tejido generador de células sanguíneas). Megabiodiversidad. Abundante riqueza ecosistémica de una región o país. Meiosis. División celular en la que se reduce el número de cromosomas a la mitad del número original de la célula progenitora. Memoria. Función general gracias a la cual el ser humano almacena, conserva y, posteriormente, reactualiza o utiliza información que se le ha presentado durante la vida. Menoscabar. Mermar una cosa quitándole una parte. Meristemo. Tejido vegetal formado por células indiferenciadas en las que se producen divisiones rápidas y numerosas, situadas en la regiones de crecimiento de la planta. Metabolismo. Conjunto de procesos físicos y químicos, a través de los cuales se produce y conserva la substancia viva organizada; transformaciones que permiten la utilización de la materia y la energía por parte del organismo. CONCEPTOS BÁSICOS 208 Metamorfosis. Serie de cambios que experimenta un individuo desde la etapa de huevo, hasta convertirse en adulto. Metano. Compuesto gaseoso producido por la descomposición de sustancias en putrefacción. Microbiología. Estudio de organismos que son con frecuencia demasiado pequeños para observarlos directamente con el ojo humano, se precisa técnicas especiales para aislarlos y cultivarlos. Miocardio. Parte muscular del corazón, formado por fibras estriadas, constituye la parte contráctil de la pared del mismo. Molusco. Grupo de animales invertebrados, de cuerpo blando, que presenta dorsalmente un manto generalmente cubierto por una concha y más o menos ventralmente un pie. Ejemplos de ellos son las ostras y los caracoles. Morfológico. Relacionado con la forma y estructura de los seres vivos. Musaraña. Mamífero insectívoro parecido a una rata, de hocico alargado y puntiagudo, útil porque destruye gran número de gusanos e insectos. Mutación. Proceso por el cual se altera la estructura primaria (secuencia de bases) de un gen, da origen a un nuevo carácter hereditario. Neón (Ne). Elemento químico, que hace parte del grupo de los gases nobles y se encuentra presente en la atmósfera, se emplea para iluminación en tubos luminiscentes. Neonatal. Se relaciona con todo los aspectos que tienen que ver con los recién nacidos. Neuropatía. Se agrupan bajo este término patologías de la personalidad como la ansiedad, la neurosis y la hipocondría crítica. Nitrógeno (N). Elemento químico del grupo de los no metales, incoloro e inodoro. Existe en estado libre en el aire, del que constituye el 75% en masa y el 78% en volumen y se encuentra combinado en nitratos y sales amoniacales, forma parte de las proteínas que configuran los tejidos de los seres vivos. Orquídea. Planta con flores que tiene la característica que, cuando la flor madura, queda boca abajo. Osmótica. Difusión de líquidos a través de una membrana permeable selectiva, desde una solución diluida a otra más concentrada. Osteomalacia. Afección caracterizada por la progresiva desmineralización de los huesos. 209 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Óvulo. En los animales, gameto femenino. En las plantas, megasporangio, contenida en el ovario que se convierte en la semilla después de la fecundación. Oxígeno (O). Elemento químico no metálico, presente en forma gaseosa en la atmósfera y necesario para la respiración. Paramecium. Protozoo ciliado que presenta forma de zapatilla; vive en aguas estancadas y cuyo cuerpo puede alcanzar 1/5 mm de longitud. Parénquima. Es un tejido esencial de los órganos, cuya función principal es dar soporte. Patógeno. Organismo o material que produce una enfermedad. Pelagra. Enfermedad debida a una carencia de vitamina B3 y que se manifiesta por lesiones cutáneas y trastornos digestivos y nerviosos. Pezón. Parte central, eréctil y más prominente de la glándula mamaria. Pigmento. Sustancia coloreada producida por un ser vivo. Plaga. Organismo en gran cantidad, que causa daño a una población o a un cultivo. Planaria. Animal invertebrado que pertenece al grupo de los gusanos planos, y uno de los animales inferiores a los que se les identificó órganos evolucionados del sistema nervioso y excretor. Plancton. Conjunto de seres microscópicos o de pequeñas dimensiones que están en suspensión en el mar o en el agua dulce. Plántula. Planta joven germinada, que se alimenta todavía de las reservas de la semilla. Plomo (Pb). Elemento químico metálico, que se utiliza principalmente para fabricar bacterias y revestir cables eléctricos. Pobreza. Circunstancia económica en donde las personas carecen de ingresos suficientes para acceder a niveles mínimos de atención médica, vivienda, alimentos y educación. Polen. Conjunto de granos microscópicos producidos por los estambres y que forman los elementos masculinos de las plantas con flores. Polinización. En las plantas con semilla, transferencia de polen de la estructura masculina a la femenina de la planta. Poliomielitis. Enfermedad contagiosa, producida por un virus, que daña los centros nerviosos, particularmente en la médula espinal. Afecta los músculos, lo cual produce parálisis. CONCEPTOS BÁSICOS 210 PRAE. Proyectos Ambientales Escolares. Probiótico. Que facilita el desarrollo de microorganismos. Procariótico. Organización celular en la que el núcleo no está completamente separado del citoplasma. PROCEDA. Proyectos Ciudadanos de Educación Ambiental. Proteína. Compuesto orgánico formado por la unión de varios aminoácidos, es uno de los elementos fundamentales de la composición y funcionamiento del organismo. Protoplasma. Conjunto formado por el citoplasma y el núcleo de una célula. Protrombina. Sustancia contenida en la sangre y que participa en su coagulación. Pupila. Abertura central del iris en la parte anterior del ojo. Queratomalacia. Tumor en la piel, donde se daña la capa superior. Químico. Concerniente a las propiedades y composición de los cuerpos, así como de sus transformaciones. Quitina. Polisacárido duro y resistente que contiene nitrógeno y forma la pared de ciertos hongos, el exoesqueleto de los artrópodos y la cutícula epidérmica de otras estructuras de superficie de ciertos protistas y animales. Radícula. Porción de la raíz del hipocótilo de las plantas de semilla. Rayos X. Radiaciones electromagnéticas, cuando se bombardea un objeto con electrones de alta velocidad. Reactivo de Fehling. Se utiliza para identificar azúcares, se compone de dos soluciones Fehling A, cuya base es el sulfato de cobre, y Fehling B, que tiene como uno de sus componentes el hidróxido de sodio. Si agregamos el reactivo de Fehling a una solución que contenga azúcar, producirá una coloración rojo ladrillo. Recesivo. Carácter o alelo que no es dominante. Reflejo. Efecto que siendo producido en un sitio se reproduce espontáneamente en otro. Regulador. Mecanismo para ordenar o normalizar el movimiento de una acción. Semilla. Cuerpo reproductivo de una planta, constituido por un embrión multicelular joven y tejido nutritivo (reserva de alimento) dentro de una cubierta protectora. 211 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Síndrome. Conjunto de síntomas que caracterizan una enfermedad o una afección. Somático. Relativo a células o tejidos que no forman gametos. Súbita. Suceso que se presenta en forma repentina. Sustrato. Sustancia sobre la cual actúa una enzima; se considera en microbiología un medio de cultivo. Tecnificación. Acción de introducir procedimientos modernos para la obtención de resultados prácticos en algún tipo de industria. Termita. Nombre común que se le asigna a un insecto de costumbres sociales , forma colonias compuestas, causa grandes estragos en los edificios. Timina. Base orgánica nitrogenada, que hace parte del ADN y del ARN. Tinción. Dar a una sustancia u organismo un color diferente de su color natural. Tisular. Que se relaciona con los tejidos. Tradición. Transmisión hecha de generación en generación de hechos históricos, doctrinas, leyes, costumbres, etc. Transgénico. Organismo concebido artificialmente mediante la ingeniería genética. Transmisor. Órgano o sustancia que tiene la capacidad de transmitir señales. Tribu. Agrupación homogénea de familias en los aspectos lingüísticos, políticos, social y cultural, que algunos consideran como una subdivisión de una etnia, y otros como un simple equivalente de la etnia. Trigo. Planta herbácea anual, de la familia gramináceas (género Triticum), que produce el grano (cariopside) que da origen a la harina, utilizada principalmente en la elaboración del pan. Tripleta. Grupo de tres compuestos, que forman los ácidos nucleicos. Turgencia. Estado normal de rigidez de los tejidos vegetales vivos. Vacuna. Se refiere a un preparado de microorganismos muertos, vivos atenuados, o toxinas bacterianas inactivas (toxoides). Se administra para inducir el desarrollo de la respuesta inmunitaria y proteger al individuo frente a un agente patógeno o toxina. Vaina. Fruto seco simple que se abre a la madurez a lo largo de las costuras para liberar las semillas, como el fríjol y la arveja. CONCEPTOS BÁSICOS 212 Vástago. Brote que surge de un vegetal muy cerca del pie, del tallo o del cuello de la raíz. Vibrión. Célula bacteriana en forma de bastoncillo, que se curva para formar una coma o espiral incompleta. Virus. Agente infeccioso, microscópico, compuesto de un núcleo de ácido nucleico y una vaina de proteína; puede reproducirse y mutar en el interior de la célula huésped. Vitamina. Compuesto orgánico que necesitan los microorganismos en cantidades muy pequeñas para su crecimiento y reproducción, porque no pueden sintetizarlo. Xeroftalmía. Tipo de ceguera, caracterizada por sequedad anormal, pérdida del brillo y cornificación del epitelio de la córnea; depende de la deficiencia de vitamina A. Yema. Brote o renuevo en forma de botón escamoso, que aparece en el tallo de las plantas cuando las hojas todavía se hallan imbricadas o envueltas unas sobre las otras. Zinc (Zn). Metal de color blanco azulado; se encuentra en la naturaleza; por lo general, en estado de sulfuro (blenda) o de carbonato (calamita). 213 BIOLOGÍA Y EDUCACIÓN AMBIENTAL BIBLIOGRAFÍA (COLOMBIA) ABRAMOFF, P. y THOMSON, R., Investigations of Cells and organisms. A laboratory Study in Biology, Prentice-Hall, Estados Unidos, 1968. ALAMABIQUE, Biotecnología, Explicaciones Científicas y cotidianas, Editorial Grao, España, 2000. 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Capítulo 2 ENLACES Y REACCIONES QUÍMICAS 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 ¡Bienvenidos! ¿Qué sabemos? (94.2.F) El cosmos (95.2.F) ¿Cómo lo explicamos hoy en día? En expansión ¡Que revolcón! (101.2.F) Pensamiento en grande Desde allá hasta aquí (97.3.Q) ¿Quién da más? (99.3.Q) Casi eterna (101.3.Q) Manos a la obra Núcleo Básico 2 ENLACES Y REACCIONES QUÍMICAS Electronegatividad Tipos de enlaces Enlace iónico Enlace covalente Tipos de reacciones químicas Producción química en la industria Productos químicos usados en el hogar Primeros auxilios: prevención de accidentes Primeros auxilios: percances varios 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. (92.2.Q) La buena vibra (93.2.Q) Cuando los electrones se unen (94.2.Q) Atractivas cargas distintas (95.2.Q) Por mitades (96.2.Q) Cuando las clases existen (93.3.Q) No tan limpia (94.3.Q) Manéjese con cuidado (40.3.C y T) Más vale prevenir (41.3.C y T) La caja de pandora (42.3. C y T y 43.3. C y T) Chipote con sangre 223 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE SESIONES DE APRENDIZAJE Y VIDEOS CONCEPTOS BÁSICOS Núcleo Básico 3 CINÉTICA QUÍMICA Capítulo 3 CINÉTICA QUÍMICA 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. Cinética química Contenido energético Reacciones exotérmicas y endotérmicas Energía de activación Reacciones reversibles Factores que afectan la rapidez de una reacción química Elaboración de queso y preservación de alimentos Cocción y fermentación de alimentos Núcleo Básico 4 COMBUSTIBLES QUÍMICOS Y EL PROBLEMA DE LAS COMBUSTIONES Capítulo 4 COMBUSTIBLES QUÍMICOS Y EL PROBLEMA DE LAS COMBUSTIONES 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Composición del aire puro Propiedades del oxígeno El petróleo: derivados y usos Hidrocarburos: gasolina Problemas ocasionados por el consumo de petróleo 4.6 Otros combustibles: biomasa e hidrógeno 4.7 Reacciones de oxidación 4.8 Reacciones de reducción 4.9 La corrosión 4.10 Acción corrosiva de los detergentes CONCEPTOS BÁSICOS 224 (62.3.Q) El acelere (63.3.Q) ¡Qué calor! (64.3.Q) ¡Qué calor y qué frío! (65.3.Q) ¡El chispazo! (66.3.Q) En dos sentidos (69.3.Q) Concéntrate y reacciona (70.3.Q) Los veloces (71.3.Q) Se define el acelere (72.3.Q) ¡Quesitos! (84.3. C y T.) ¡Quemado y podrido! Valoremos lo que aprendimos Armando las piezas I 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. (48.3.Q) ¿Qué tan puro es el aire? (49.3.Q) Puro oxígeno (28.3.Q) Inmortales y peligrosos (21.3.Q) No son tan eternos (41.3.Q) ¡Buzos porque nos quemamos! (42.3.Q y 43.3.Q) ¡Para que no nos llueva ácido! (27.3.Q) ¡Ya cámbiale! ¿no? (53.3.Q -54.3.Q) ¡Piden y no les dan! (55.3.Q) El que se reduce, gana (57.3.Q y 58.3.Q) Los destructores (59.3.Q) Detergentes SESIONES DE APRENDIZAJE Y VIDEOS CONCEPTOS BÁSICOS Núcleo Básico 5 ACÚSTICA Capítulo 5 ACÚSTICA 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 Movimientos periódicos Movimiento ondulatorio El sonido y su velocidad de propagación Vibraciones como fuentes de sonido y ruido Medios de propagación del sonido Cualidades del sonido Instrumentos musicales El oído y la audición Eco, reverberación e interferencia Efecto Doppler 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 (76.3.F) ¡Qué curvas! (77.3.F) No, son ondas (78.3.F) El Mach (79.3.F) ¡Qué escándalo! (80.3.F) No siempre me escuchas igual (81.3.F) Tocan (82.3.F) Cómo se oye (83.3.F) ¡Cuántos sonidos! (84.3.F) ¿Escucho? (85.3.F) Las ovejas negras de la familia Si se juntan interfieren (86.3.F) ¡Cómo cambias! Núcleo Básico 6 ÓPTICA Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Capítulo 6 ÓPTICA Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 6.1 6.2 6.3 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. Naturaleza y velocidad de la luz Fuentes de luz Unidades de medida de la intensidad luminosa y de la iluminación Fenómenos de la luz Espejos planos Espejos esféricos Lentes convergentes y divergentes Aparatos ópticos El ojo y la visión Refracción de la luz blanca Luz visible y espectro electromagnético Ondas de radio La capa de ozono y la radiación ultravioleta 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. (89.3.F) Como de rayo (89.3.F) Más rápido no se puede (90.3.F) ¡Préndele! (91.3.F) ¡Échenle candela! (92.3.F) Te ves mal (93.3.F) Reflejos (94.3.F) ¿Soy yo? (95.3.F) Los deformados (96.3.F) ¿Chueco o derecho? (97.3.F) Me ves pero al revés (98.3.F) Para verte mejor (99.3.F) ¡Qué me ves! (100.3.F) De colores (101.3.F) Una amplia gama (102.3.F) Sintonízate Conserva a quien te protege Valoremos lo que aprendimos Armando las piezas II 225 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE PRESENTACIÓN En continuidad con los cursos anteriores, en este libro se desarrollan los aspectos básicos más importantes del área de Física, Química y sus relaciones con el ambiente. Aquí se trabajan algunos de los elementos fundamentales para el desenvolvimiento armónico en nuestro contexto social, cultural permanentemente cambiante, el cual nos exige no solo ciertas herramientas conceptuales y teóricas, propias del estudio de las ciencias naturales, sino que también demanda ciertas formas de proceder y actuar, algunas de las cuales se adquieren y desarrollan en el estudio de las ciencias naturales y la educación ambiental. La constante evolución de nuestra sociedad hace que la dirección de nuestros intereses y necesidades cambie continuamente. En consecuencia, la búsqueda por satisfacer dichos intereses y necesidades desemboca en aportes e innovaciones para nuestra cultura por medio de la tecnología, a la vez que en aportes para el desarrollo de las ciencias mismas. Vivir en armonía con nuestro entorno significa saber aprovechar los recursos que él nos provee, así como saber dar de nosotros mismos lo que nos corresponde para mantener en equilibrio el medio al que pertenecemos. Esto significa que debemos conocer las fuentes y recursos provistos no solo por la naturaleza, sino los que la sociedad misma nos ofrece, como también conocer la manera en la que podemos tomar el mejor provecho de estos recursos, sin deteriorarlos ni extinguirlos. Este conocimiento demanda a su vez que conozcamos los aspectos básicos que nos permiten entender el funcionamiento de los sistemas naturales, su dinámica y, sobre todo, el lugar que, como seres humanos, ocupamos en dichos sistemas. De ahí la importancia del estudio de las ciencias naturales, y en particular de los aspectos considerados en este libro. No existe algo más importante y fundamental en el desarrollo de la humanidad que saber vivir y desenvolverse armónicamente en el contexto social, cultural y natural que le corresponde, procurando su conservación y desarrollo continuo, así como el suyo propio. Algunos de los referentes teóricos desarrollados en este libro y que contribuyen a la formación integral de cualquier ciudadano colombiano (entiéndase por ciudadano colombiano, toda aquella persona de cualquier raza, sexo, etnia, religión y cultura con nacionalidad colombiana) son la historia y evolución del pensamiento científico, los aspectos relacionados con los enlaces, reacciones de síntesis, combustiones y cinética química, así como la acústica y óptica propias del estudio de la física y su impacto y aplicación en la tecnología y el ambiente, respectivamente. LOS AUTORES 227 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Capítulo 1 HORIZONTES DE LA FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Foto: Worldview, Aris Entertainment Inc. El universo, de Copérnico a Einstein “Por la ventanilla se asoman unas estrellas asombrosamente brillantes y frías. Estaba muy lejos de ellas –¡tan lejos!– pero desde la órbita del Vostok parecían más próximas que desde la Tierra misma. No se trataba por supuesto de unos cientos de kilómetros, que en comparación con los años luz que nos separan de las estrellas son una gota en un océano, sino de algo transcendental: el ser humano había superado la gravitación terrestre...”, éstas son las palabras del primer cosmonauta de la historia: Yuri Gagarin. No debo buscar mi dignidad en el espacio, sino en el gobierno de mi pensamiento. No tendré más aunque posea mundos. Si fuera por el espacio, el universo me rodearía y me tragaría como a un átomo, pero por el pensamiento yo abrazo al mundo. BLAISE PASCAL 229 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE 1.1 ESTRUCTURA DEL CURSO Y METODOLOGÍA DE ESTUDIO Corresponde a la sesión de GA 1.1 ¡BIENVENIDOS! El universo es todo un escenario de espectaculares objetos, eventos (fenómenos) y procesos naturales que a diario podemos apreciar libre y gratuitamente. Puede ser que la costumbre les reste algo de majestuosidad, pero no por eso dejan de ser lo que son: verdaderos espectáculos de la naturaleza. Por ejemplo, es costumbre ver cómo en las mañanas se levanta el Sol por el oriente, desplazándose sobre nosotros hacia el occidente hasta ocultarse en la tarde. Pero si pensamos detenidamente en todas las características de este movimiento, como por ejemplo, la distancia entre el Sol y la Tierra, el movimiento de la Tierra sobre su propio eje, el hecho de que entre el Sol y la Tierra sólo exista espacio vacío, etc., podría valorarse en toda su magnitud la importancia y perfección de tal suceso. Existen, por ejemplo, fenómenos naturales que no son periódicos y que se presentan con menor frecuencia que el día y la noche. Por ejemplo, no es cuestión de todos los días observar el arco iris, como tampoco son fenómenos cotidianos los eclipses de Sol y de Luna. Tal vez, ésta es la razón que justifica el hecho de que nuestro interés y curiosidad estén puestos preferencialmente en los fenómenos de rara ocurrencia, por encima de los que acostumbramos a ver con cierta periodicidad y mayor frecuencia. El trabajo científico presta igual valor e interés a cualquier tipo de fenómeno natural, ya sea que se trate de aquellos a los que estamos acostumbrados o de aquellos otros extraños. Por supuesto que lo que motiva la investigación de las personas dedicadas al estudio de las ciencias son aquellos fenómenos o hechos novedosos, para los cuales no existen teorías que los expliquen satisfactoriamente. Incluso, se cree que no llegará el día en el que “la última palabra” respecto a la naturaleza de las cosas sea dicha. En el campo de las ciencias, siempre ha existido y existirá espacio y razones disponibles para pensar que lo dicho hasta el momento respecto a naturaleza de las cosas es susceptible de ser modificado, mejorado y actualizado de acuerdo con los nuevos hallazgos registrados mediante la experimentación. En otras palabras, los científicos nunca se quedarán sin trabajo. En este libro, hemos querido recoger el estudio de algunos objetos, fenómenos y procesos naturales junto con el desarrollo teórico que al respecto se ha logrado hasta el momento, desde un punto de vista básico y muy conceptual. Esto con el fin de que, como parte integral de todo el curso de ciencias naturales que has recibido en el ciclo de educación básica, conozcas más de la naturaleza que percibes a diario, tanto de aquella que te sorprende como de esta otra a la cual estás acostumbrado(a) y hace parte de tu cotidianidad, y que además aprendas acerca de las formas de proceder en el trabajo científico. Esto último te ayudará a desarrollar tus competencias para interpretar y analizar situaciones, para predecir y plantear hipótesis, las cuales son acciones que hacen parte del trabajo científico. En este sentido, hemos estructurado este libro en seis capítulos que recogen algunos de los fenómenos mencionados anteriormente. CONCEPTOS BÁSICOS 230 Así, en el Capítulo 1, se estudia la evolución del pensamiento científico en relación con el origen y dinámica del universo. Para esto, se retoman desde las explicaciones que dieron los griegos hace miles de años, hasta las que hoy día se mantienen vigentes, además de las implicaciones que estas concepciones han tenido en la explotación de recursos energéticos anteriormente desaprovechados como la energía solar, la energía nuclear y la biomasa. Por otra parte, se estudian las aplicaciones que estos descubrimientos han tenido mediante la tecnología y su impacto en la sociedad, así como las modificaciones culturales que esto ha conllevado. En el Capítulo 2, se realizará una aproximación al estudio de las reacciones químicas, principalmente desde el punto de vista cualitativo. En esta unidad, se desarrollarán los conceptos básicos del enlace químico y su relación con la variedad de sustancias que hay en la naturaleza. De igual forma, se estudia la importancia que tienen estas reacciones químicas en la producción de compuestos y sus implicaciones en la vida diaria. Además, debido a los peligros que se generen en el trabajo de laboratorio, se hace un breve trabajo de primeros auxilios, con el fin de que el estudiante y el(la) maestro(a) conozcan cómo proceder en caso de alguna eventualidad. En el Capítulo 3, se hace un estudio un poco más específico de las reacciones químicas y cómo éstas pueden verse afectadas por una serie de factores. En esta sección, se hace un poco de trabajo cuantitativo, pero de nivel básico, no obstante, sin perder carácter práctico y utilitario de los conceptos aquí estudiados. En el Capítulo 4, se concluye el estudio de las reacciones químicas, mediante un trabajo centrado en las combustiones y su relación con las reacciones de oxidación-reducción. Este estudio se realiza principalmente en torno al efecto ambiental que tienen las sustancias que se producen en las combustiones de combustibles fósiles. Los fenómenos ondulatorios, es decir, aquellos propios de las ondas materiales, son motivo de estudio en el Capítulo 5. Allí exploramos desde las características de una onda, pasando por la manera como éstas se generan y los fenómenos ondulatorios, hasta llegar a una de las ondas con las que mayor interacción tenemos a diario: las ondas sonoras, es decir, el sonido. Estudiaremos, además, la estructura y funcionamiento del oído humano, así como los cuidados que se deben tener con este importante órgano, al igual que las implicaciones medio ambientales de la generación extraordinaria de ruido. Por último, en el Capítulo 6, se parte de la historia y evolución del pensamiento científico en relación con la naturaleza de la luz, para luego hacer un recorrido por los fenómenos de la luz y las aplicaciones de estos fenómenos en la interacción de la luz con espejos y lentes, las aplicaciones tecnológicas del estudio de la luz en la construcción de aparatos ópticos como los telescopios, microscopios, etc., y la estructura y funcionamiento del ojo humano y los problemas de visión, así como la manera de corregirlos por medio de lentes. La mayor parte del trabajo que tendrás que hacer en el desarrollo de este libro es experimental, para lo cual, en la Guía de Aprendizaje, se implementa la V heurística Gowin como una técnica didáctica con la cual se puede recoger de manera sistemática y ordena231 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE da toda la información relevante del trabajo experimental. Del mismo modo, realizarás actividades especiales como la nave del conocimiento, la cual se implementa especialmente en aquellas sesiones en las que se hace un recorrido histórico por el desarrollo del pensamiento científico, como es el caso de la evolución en la concepción de la naturaleza de la luz y del universo. Practicarás, además, la variedad de innovaciones didácticas que has venido aplicando desde el grado sexto. 1.2 EXPLICACIONES ANTIGUAS Corresponde a la sesión de GA 1.3 (94.2.F) EL COSMOS En Egipto, consideraban que el cielo era un océano por donde las estrellas, la Luna y el Sol viajaban en barcos. La aparición matutina del Sol se explicaba suponiendo la existencia de un río subterráneo por donde el “astro rey” atravesaba el bajo mundo hasta aparecer nuevamente. Hoy se sabe que las coincidencias entre las creencias o teorías de los antiguos, en relación con el cosmos, son escasas. La regla general consistía en asignar un Dios a cada fenómeno natural que no era explicable, pero los detalles varían infinitamente de una cultura a otra. En este sentido, las religiones y su desarrollo desempeñaban un papel muy importante en cuanto a las creencias, mitos y leyendas que acerca del cosmos, su origen y evolución, tenían las culturas antiguas. Así pues, los pueblos primitivos explicaban todo cuanto les rodeaba aludiendo a espíritus o fuerzas mágicas. Sin embargo, estas creencias, aun cuando resultaban oscuras desde el punto de vista científico, escondían verdades profundas bajo la apariencia de cuentos fantásticos. Figura 2. El Sol fotografiado por el laboratorio Skylab. CONCEPTOS BÁSICOS 232 La primera ciencia, en el sentido de un intento por describir y explicar el cosmos, fue la astronomía. El diario vagar de los astros fue concebido de muy distintas maneras; se les imaginaba como hoyos en una tela (el cielo) y detrás, el fuego intenso, o bien se pensaba que eran fogatas encendidas para servir de guía en la noche oscura. Y a través del cielo, se pensaba, enviaban mensajes a los hombres. El ciclo del día y la noche constituyó la primera manera de medir el tiempo. Así, el Sol y la Luna, “eternos enamorados”, se perseguían en el firmamento, sus posiciones relativas, las fases lunares, el desplazamiento del Sol en el horizonte hacia el Norte en el invierno y hacia el Sur en verano coincidían, seguramente, con los ciclos de la vida aquí en la Tierra: la crecida del Nilo, la época de caza o de recolección... La inmensa mayoría de las culturas que habitaron en el hemisferio norte hicieron nacer a sus dioses en el solsticio de invierno (21 de diciembre), que es el punto en el cual el “astro rey” aparece, en su ciclo anual, más al Sur. De esa fecha en adelante, el Sol aparece más al Norte, hace los días más largos y las noches más cortas. El hecho de que el 21 de diciembre los pueblos de Mesoamérica celebren la fiesta del nuevo Sol, que los católicos, aunque no coincidan, brinden por el nacimiento de Cristo y los europeos festejen a San Nicolás..., no es más que un rito de agradecimiento al cielo, al Sol por su renacimiento. Resulta conveniente hacer hincapié sólo en aquellos mitos y costumbres en los que la mayoría de los pueblos interpretan, de manera semejante, la naturaleza y sus ciclos. A la manera de entender el cosmos (el universo entero) se le denomina cosmogonía, y cada cultura tiene su interpretación. Una creencia generalizada entre algunos pueblos de Mesoamérica, Egipto, la tradición judeo-cristiana, los hindúes y griegos es que el universo era originalmente caos y oscuridad y después llegó el orden (cosmos) y la luz. Curiosamente, esta interpretación del origen del universo coincide con la visión científica actual. Probablemente algunos vean en este hecho una prueba irrefutable de la existencia de Dios; sin embargo, parece igualmente posible que todos los humanos interpretemos el origen del “todo” en analogía al momento del nacimiento de cada individuo; primero, la oscuridad del vientre materno y luego la luz del mundo. Independientemente de si la explicación de esta coincidencia es científica o religiosa, el hecho es que todas las culturas elaboraron teorías acerca del origen del universo. Otra coincidencia interesante consiste en el casi absoluto acuerdo en todas las culturas de las diversas regiones del mundo acerca de los cometas. Estos visitantes periódicos, que se inflaman al acercarse al Sol, son casi invariablemente considerados presagio de catástrofes. Li Chunfeng (602-667) escribió, en el libro chino llamado La relación del cambio del mundo: “Los cometas son estrellas viles. Cada vez que aparecen al sur, sucede algo que arrasa lo viejo y funda lo nuevo. Además, cuando aparecen cometas, mueren las balle233 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE nas...”. Según los masai, un pueblo del África oriental, un cometa presagia hambre; según los zulúes de Sudáfrica, es presagio de guerra; y según los eghap de Nigeria, presagia epidemias. Una excepción rarísima a esta creencia, en cuanto a la naturaleza maléfica de los cometas, la constituye un pueblo cazador-recolector: los kung, que habita en Namibia, y que cree que la aparición de un cometa trae buena caza. Sol Mercurio Venus Tierra Marte Cinturón de asteroides Júpiter Saturno Urano Neptuno Plutón Figura 3. Los planetas del Sistema Solar. Existe un hecho común a todas las tradiciones y cosmogonía de los pueblos y culturas de las diferentes partes del planeta, y es que fue el cielo, el registro de sus aconteceres y su relación con lo mundano, lo que dio origen a las diferentes interpretaciones del cosmos. La humanidad vio en el cielo el origen y hogar de los dioses, a quienes supusieron como planetas, y los imaginaron en terribles disputas; de modo que consideraban una osadía intentar llegar a él, por lo que crearon mitos sobre los castigos que podían caer sobre aquellos que veían en el cielo una extensión de la Tierra regida con las mismas leyes. Hoy día, en los albores del siglo XXI, la humanidad, esa singular especie que habita la Tierra, ha llegado a la Luna y a Marte, ha atravesado la atmósfera de Venus y, en una muestra del más bello optimismo, ha enviado una nave con un mensaje a las estrellas y a sus probables habitantes. 1.3 PRINCIPAL TEORÍA QUE EXPLICA EL UNIVERSO Corresponde a las sesiones de GA 1.4 (95.2.F) ¿CÓMO LO EXPLICAMOS HOY EN DÍA? y 1.5 EN EXPANSIÓN Giordano Bruno, contemporáneo de Galileo, fue quemado vivo por la Santa Inquisición (o Tribunal del Santo Oficio), en el año 1600. La razón fue haber afirmado que el universo era infinito, que las estrellas son soles y que la Tierra se mueve. De las tres afirmaciones, CONCEPTOS BÁSICOS 234 sólo una era una “herejía” grave: la primera. De la segunda, no queda muy clara la posición de la Iglesia católica de aquellos tiempos y, con respecto a la tercera, se sabe que los cardenales Borromeo y Barberini –quien posteriormente fue el papa Urbano VIII– escribieron cartas a Galileo, en las cuales expresaban su sincera admiración cuando éste habló a favor del movimiento de la Tierra. Es muy importante reconocer que muchos de los altos jerarcas católicos no tenían objeción al sistema heliocentrista; de hecho, alguno defendió el movimiento de la Tierra. Sin embargo, la falta grave cometida por Bruno (que por cierto no fue el primero ni el único en hacer tal afirmación) era considerar al universo infinito: “Si el universo es infinito, ¿dónde hay lugar para Dios?”. Esta hipótesis sí era abiertamente contraria a las Sagradas Escrituras, las otras dos no. La concepción actual que se tiene del universo es más parecida a la de Giordano Bruno que a la idea que la Iglesia deseaba mantener. A más de 400 años de la muerte de Bruno, sorprende lo poco que se ha avanzado en cuanto a la actitud de intolerancia de algunas instituciones; seguramente mucha gente hoy iría a parar a la hoguera de no ser porque la Iglesia ha perdido poder. Figura 4. Cráter “Bruno” en la Luna, denominado así en honor a Giordano Bruno. Un conocido científico (algunos dicen que fue Bertrand Russell) dio una conferencia sobre astronomía. En ella describía cómo la Tierra giraba alrededor del Sol y cómo éste, a su vez, giraba alrededor del centro de una vasta colección de estrellas conocida como nuestra galaxia. Al final de la charla, una simpática señora se levantó y le dijo desde el fondo de la sala: “...lo que usted nos ha contado no son más que tonterías. El mundo es en realidad una plataforma sustentada por el caparazón de una tortuga gigante”. El científico sonrió ampliamente antes de replicarle “¿Y en qué se apoya la tortuga?”. “...Usted es muy inteligente, joven, muy inteligente –dijo la señora–. ¡Pero hay infinitas tortugas una debajo de la otra!”. La concepción del universo, como una torre infinita de tortugas, que presentó la simpática señora, coincide con la idea que tenían los sumerios hace 5 000 años; sin embargo, no es la moda ni la persistencia lo que mantiene un modelo, sino la confirmación con base en observaciones. 235 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Es muy probable que la gente que viva en el futuro se pregunte, como ahora lo hacemos, “¿Por qué nuestros antepasados tenían esa concepción del universo?”, y seguramente compartirán el sentimiento de benevolencia que nos produce la visión del cosmos de las culturas que nos precedieron, por saberla fundada más en la imaginación que en los hechos. Habrá quien encuentre ridícula la visión de una torre infinita de tortugas; empero, antes de hacer un juicio, se debe preguntar: ¿en qué se basa la creencia de que la visión actual del cosmos es más cercana a la realidad? Figura 5. El Universo sumerio. Una Tierra plana y una bóveda celeste de estaño. Hoy, más que en ninguna otra época, el conocimiento del universo se puede comprobar con las observaciones. La ciencia ha logrado ir afinando la visión del universo y, sin duda, el conocimiento refleja cada vez mejor la realidad. Así, el argumento más sólido a favor de la concepción actual del macrocosmos es que coincide con las observaciones, y, en el momento en que así no sea, se modificará o se desechará y se reemplazará por una nueva concepción. Con la invención y mejoramiento de los telescopios, fue posible hacer observaciones del firmamento cada vez mejores. En la actualidad se toman fotografías que muestran más allá de un millón de estrellas de nuestra galaxia, haciendo uso de películas fotográficas de alta densidad. Es posible, también, tomar impresiones con películas fotográficas sensibles a diferentes colores. Más recientemente, se han usado los radiotelescopios para captar posibles emisiones de radio procedentes de las estrellas. Por cierto, en la década de los setenta se recibió una señal de radio con una frecuencia extraordinariamente constante; todos los radioastrónomos imaginaron que la señal había sido enviada por otra civilización; sin embargo, el tiempo demostró que la señal era producida por una estrella giratoria que se denomina pulsar. Figura 6. La galaxia Andrómeda. CONCEPTOS BÁSICOS 236 En la medida en que se extiende el conocimiento sobre el universo, también aumenta la frontera de la ignorancia y esto ha hecho que la humanidad se posicione con humildad en la inmensidad del cosmos. En la actualidad, se ha observado una diversidad de objetos en el espacio que los antepasados jamás imaginaron: sistemas de estrellas dobles o triples, estrellas pulsantes, pulsares, quásares, nebulosas, galaxias elípticas o espirales. Sin embargo, la descripción no acaba aquí. Con métodos indirectos, empleando la Ley de Gravitación Universal, se puede calcular la masa de las estrellas e incluso de las galaxias. Dos hechos, que se describirán a continuación, son los más ilustrativos de nuestra concepción del universo. I. A finales del siglo pasado, Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell se dispusieron a elaborar una gráfica, hoy conocida como diagrama H-R (sus iniciales). Esta gráfica relacionaba el brillo con el color de las estrellas. Lo que se esperaba encontrar es que hubiera estrellas de todos los tamaños y colores; pero, para sorpresa de todos, se vio que en las estrellas hay una relación entre su tamaño y color, dentro de una franja, así: las rojas son pequeñas, las amarillas son medianas y las azules son invariablemente grandes, como se muestra en la gráfica de la figura 7. En ésta, se puede apreciar, además, que mientras las estrellas son jóvenes, se ubican en la franja ilustrada en la figura, y que, al envejecer, abandonan esta franja y forman gigantes rojas o enanas blancas. BRILLO Escala de brillo en relación al Sol Gigantes azules Gigantes rojas 1 000 000 soles 10 000 soles ES TR 100 soles EL LA S 1 Sol Secuencia principal 0.010 Sol Enanas blancas JÓ VE NE S 0.00001 Sol TIPO DE ESTRELLA AZULES O-B AMARILLAS A-F-G ROJAS K-M-R-N COLOR Figura 7. Diagrama Brillo-Color. En el eje vertical aparece el brillo comparado con el brillo del Sol; en el eje horizontal aparece el color y tipo de estrella. 237 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE A la franja mencionada anteriormente, se le denomina secuencia principal y está estrechamente ligada a la evolución de las estrellas. Todas las estrellas jóvenes, esto es, aquellas que aún transforman hidrógeno en helio, se localizan en esta franja. En la medida que agotan el hidrógeno, abandonan la secuencia principal. Las estrellas viejas y agotadas (que transforman el helio en carbono) están en las otras zonas. En ocasiones, a este sistema se le denomina diagrama Brillo-Color y la información que de él se obtiene rebasa el nivel de este curso. II. En la década de los veinte un astrónomo llamado Edwin Hubble, al catalogar y estudiar el movimiento de las galaxias, encontró que todas parecían alejarse de la Vía Láctea, como si efectivamente estuviésemos en el centro del universo. Esta situación tiene una excelente y sencilla analogía: tómese un globo y píntese unos pequeños puntos (estos representarán las galaxias), ahora ínflese; se observa que todos los puntos se alejan de todos y que no es posible afirmar que alguno está en el centro. Lo que aparentemente sucede es que el universo se expande. Hubble encontró, además, el ritmo al que se expande el universo, y éste es constante. El siguiente paso fue suponer que este ritmo siempre había sido el mismo y, si fuera así, se podría calcular el momento en el cual todas las galaxias estuvieron juntas en un mismo punto. A este suceso se le llamó la gran explosión (Big-Bang) y sucedió, según esta teoría, hace 15 000 millones de años. Este fue el momento, según se cree y algunas observaciones lo han demostrado, en que el universo tuvo su principio con una gran explosión. Algunos científicos incrédulos preguntaron por el eco de esa gran explosión. Lo más formidable es que dos físicos norteamericanos, Arno Penzias y Robert Wilson, al probar un detector de microondas extremadamente sensible, encontraron el eco en forma accidental. Así, parece que el universo tuvo principio y se encuentra, en este momento, en expansión. La futura evolución del universo depende de la cantidad de masa existente. El universo podría expandirse infinitamente, detener su expansión manteniéndose estable, o contraerse produciendo lo que en el habla inglesa se conoce como Big-Crunch. Hoy parece que estos conceptos pueden abrumar a cualquiera; empero, a través del pensamiento, es posible abarcar mucho más que el propio universo. Figura 8. Una galaxia en espiral, la M51. CONCEPTOS BÁSICOS 238 Para finalizar, se hará mención de los famosos hoyos negros, éstos son objetos teóricos, aún no se han podido observar. Se supone que son tan masivos, que ni siquiera la luz puede escapar a su gravedad. 1.4 HISTORIA DE LA FÍSICA: DE NEWTON A EINSTEIN Corresponde a las sesiones de GA 1.6. ¡QUE REVOLCÓN! y 1.7 (101.2.F) PENSAMIENTO EN GRANDE Se sabe que Aristarco, el mismo que calculó el radio de la Tierra, afirmaba que los planetas giraban alrededor del Sol; sin embargo, esta teoría resultaba demasiado revolucionaria para su tiempo y fue olvidada. Pasaron 1 700 años para que otro hombre, Nicolás Copérnico, reviviera el modelo de Aristarco; lamentablemente, su esquema era más complicado que el comúnmente aceptado. El siguiente en aparecer en escena fue Galileo Galilei, quien tenía la suficiente reputación como para insinuar por escrito que el papa Urbano VIII era imbécil y, aún así, no ser mandado a la hoguera. Su aportación consistió en servir de eco a la teoría de Copérnico, a pesar de no tener pruebas contundentes en su favor, y haber sentado las bases para que Newton enunciara su primera ley. Antes de Newton, hubo otro personaje muy importante: Kepler. Este hombre enunció sus tres leyes acerca del movimiento que describían los planetas. Sin restarle mérito, se puede decir que Kepler solamente describió el movimiento, nunca atendió a las causas que lo producían. El 24 de diciembre de 1642 nació prematuramente un niño enfermizo, distraído y, al principio, un pésimo estudiante. De familia muy humilde, Isaac Newton, a quien las parteras que atendieron a su madre no daban más de una semana de vida, se convirtió en el fundador de la Física como ciencia propiamente dicha. Figura 9. Isaac Newton. 239 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE Este hombre, que jamás se casó (parece que sólo tuvo una novia en su juventud), hizo una serie de invaluables aportaciones al conocimiento en diferentes áreas: • A los 19 años, encontró una fórmula que permitía desarrollar la suma de dos términos elevados a cualquier potencia, por ejemplo (x + y)5. • Estudiando la manera de encontrar la velocidad instantánea de un móvil, abrió las puertas de una importantísima área de las matemáticas superiores: el cálculo diferencial. • Empleando el cálculo diferencial, describió un método para resolver ecuaciones complicadas. Sus aportaciones, en el campo de la Física, más conocidas son: • Enunció tres leyes que describen las características de las fuerzas ejercidas por o sobre los cuerpos. En su honor, estas leyes llevan su nombre: Leyes de Newton. • Con base en el trabajo de Keppler respecto al movimiento planetario, planteó la Ley de Gravitación Universal, según la cual la fuerza que ejerce un cuerpo masivo sobre otro semejante, es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Es decir, donde m1 y m2 son las masas de los cuerpos y r la distancia que los separa. • Estudió algunos fenómenos en óptica y descubrió que la luz blanca es producto de la composición de luz de todos los colores (los colores del arco iris). Finalmente, hay que agregar que durante su vida ocupó dos empleos que rara vez son asignados a físicos: fue director de la Casa de Moneda y miembro de la Cámara de Diputados. En el primer empleo, tuvo éxito rotundo al diseñar un método que dificultaba la falsificación de monedas; en el segundo fue un desastre, la única ocasión en la que hizo uso de la palabra, pidió que ventilaran la habitación... Las ideas newtonianas, en relación con las fuerzas y la naturaleza, se mantuvieron dominantes hasta 150 años después de su muerte, cuando en 1879 nació en Ulm (lo que en ese entonces era la República Democrática Alemana) el hombre que se convirtió en prototipo del científico y símbolo de la física y quien revolucionó radicalmente las ideas de Newton en relación con la naturaleza de las fuerzas y la luz. Albert Einstein, al igual que Newton, era de origen humilde y, como él, también era distraído y un pésimo estudiante; fue rechazado del Instituto Tecnológico de Zurich y alguno de sus maestros de educación elemental llegó a decirle que era un retrasado mental. CONCEPTOS BÁSICOS 240 Figura 10. Albert Einstein. Einstein fue un humanista ciento por ciento, huyó de la Alemania nazi a pesar de que las leyes de Nuremberg, que prohibían dar empleo a ateos y judíos (Einstein reunía ambas características), no se aplicaron a él. En el transcurso de la Segunda Guerra Mundial, su interés se centró en advertir el inminente peligro del empleo de la energía atómica en cuestiones bélicas. Einstein no participó en la construcción de la bomba atómica (Proyecto Manhattan), aunque su teoría fue la base para la construcción de tan terrible arma. Un hecho poco conocido y que fuera la causa de que Einstein viviera terriblemente aislado en Estados Unidos es que era liberal; a finales de su vida escribió mucho acerca de su posición política. Sus aportaciones a la física comenzaron en 1905, cuando trabajaba en la oficina de patentes de Suiza. Las siguientes son algunas de sus contribuciones a la ciencia: • Desarrolla la Teoría Especial de la Relatividad, la cual establece sobre la invariabilidad de las leyes de la Física en todos los sistemas físicos inerciales, es decir, aquellos que se mueven con velocidad constante. • Desarrolla la Teoría General de la Relatividad y le aumenta un principio (de equivalencia). Esta teoría se extiende a los sistemas físicos acelerados y es más general que la Teoría de Gravitación Universal de Newton. La teoría de la relatividad ha predicho un sinnúmero de fenómenos macroscópicos y microscópicos, y no se han detectado aún fallas en sus predicciones. • Explica un fenómeno denominado “efecto fotoeléctrico”, por lo cual recibe el premio Nobel. Para explicar este fenómeno, Einstein sostiene que la luz está compuesta de partículas a las que llama fotones. 241 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE • Estudia exitosamente el comportamiento de ciertas características térmicas de los materiales a bajas temperaturas. Sus estudios abarcan campos de la Física como la óptica, la dinámica de los fluidos y la física atómica. Sus conceptos en relatividad, que contemplan a las leyes de Newton como un caso particular, modificaron las nociones de tiempo y espacio. Es importante aclarar que los efectos que predice la Teoría de la Relatividad se observan más claramente cuando la velocidad de los objetos se aproxima a la de la luz (c), cuyo valor es el límite máximo que cualquier entidad física pueda alcanzar. Einstein murió en 1955 intentando conformar una teoría general que describiera todos los fenómenos de la naturaleza, lamentablemente no lo logró. 1.5 HISTORIA DE LA QUÍMICA: DE LOS ANTIGUOS GRIEGOS A LA MECÁNICA CUÁNTICA Corresponde a la sesión de G.A. 1.8 DESDE ALLÁ, HASTA AQUÍ La prehistoria Trazar los comienzos de la Química nos lleva a pensar en los cavernícolas del medio oriente en el año 8000 a. de C., los cuales hacían pinturas para pintar en las cuevas, utilizaban el fuego para cocinar alimentos y labraban la piedra para producir herramientas, en lo que se conoce como la Edad de Piedra, con el posterior desarrollo de la alfarería. Lentamente, este conocimiento se expandió fuera de la región de Oriente Medio y hacia el año 4000 a. de C. aparecen características de esta cultura en el oeste de Europa. Pero en esta época las cosas ya estaban suficientemente maduras en Oriente Medio, Egipto y Sumeria (lo que hoy es Iraq), para que se produjesen nuevos cambios. Dentro de los cambios más significativos podría mencionarse la obtención de metales, de los cuales seguramente los primeros estudiados fueron el cobre y el oro, ya que se encuentran libres en la naturaleza. La palabra metal aparentemente surge del vocablo griego que significa “buscar”. No tardó el hombre en darse cuenta que podía moldearlo utilizando el fuego y darle diferentes usos más allá de los ornamentales. Antigua Grecia En el tercer milenio a. de C., gracias a la curiosidad del hombre, se descubrió que al mezclar cobre y estaño se obtenía un metal más resistente, al que se llamó bronce. CONCEPTOS BÁSICOS 242 El acontecimiento histórico más conocido de la Edad del Bronce fue la guerra de Troya, en la que soldados con armas y corazas de bronce disparaban flechas con punta de este metal contra sus enemigos. Por estos tiempos, el hierro era muy escaso y sus características lo hacían muy blando para elaborar buenas armas, no obstante, se descubrió que al mezclarlo con carbón se formaba una aleación muy resistente conocida como acero, el cual reemplazó al bronce en la metalurgia. Gran parte de estos cambios sucedieron en la antigua Grecia, donde los primeros filósofos se planteaban la pregunta sobre la naturaleza de las cosas y llegaban a la conclusión de que la tierra estaba formada por unos cuantos elementos o sustancias básicas. Empédocles de Agrigento (Sicilia), alrededor del año 430 a. de C., estableció que tales elementos eran cuatro: tierra, aire, agua y fuego. No obstante, un siglo más tarde, Aristóteles, con gran poder de persuasión, supuso que el cielo (éter) constituía un quinto elemento. Los griegos creían que las substancias de la tierra estaban formadas por las distintas combinaciones de estos elementos en distintas proporciones. Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera (aproximadamente en el año 450 a. de C.) insistían en que la segunda hipótesis era la verdadera. Demócrito dio a estas partículas el nombre de átomos, de la palabra griega que significa “no divisible”. Llegó incluso a sugerir que algunas substancias estaban compuestas por diversos átomos o combinaciones de éstos. También pensaba que una sustancia podía convertirse en otra al ordenar sus átomos de diferente manera. Si tenemos en cuenta que es sólo una sutil hipótesis, es sorprendente la exactitud de esta intuición. Pese a que la idea pueda parecer hoy evidente, estaba muy lejos de serlo en la época en que Platón y Aristóteles la rechazaron. El pensamiento alquímico de la antigua Grecia se basó en teorías y especulaciones y muy pocas veces en la experimentación. Muchas de las escrituras griegas del tema se conservaron y despertaron el estudio de esta ciencia en la Edad Media. Edad Media La Edad Media se caracterizó por la búsqueda del elíxir de la eterna juventud y la piedra filosofal, el cual sería un instrumento capaz de transmutar los metales impuros como el oro, el cobre, hierro, etc., en metales puros como el oro o la plata. Durante la edad media, los practicantes de esta ciencia eran los magos conocidos como alquimistas; la alquimia se considera como la predecesora de la química moderna. Durante esta época hubo diversos tipos de alquimia: la alquimia árabe, la hindú y la china, cada una de las cuales hizo aportes significativos para el progreso de esta ciencia. Por ejemplo, los alquimistas árabes trabajaron con oro y mercurio, arsénico y azufre, sales y ácidos, y se familiarizaron con una amplia gama de lo que actualmente llamamos reactivos químicos. Ellos creían que los metales eran cuerpos compuestos, formados por mercurio y azufre en diferentes proporciones. Por su parte, dentro de los grandes aportes de los alquimistas hindúes está el descubrimiento de la sal de amoníaco durante los siglos 243 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE I y II d. de C. Su importancia se basó en su capacidad de sublimación disociándose en dos materiales corrosivos, amoníaco y ácido clorhídrico, los cuales atacan fuertemente a los metales. El problema de la alquimia china era que muchos de los elíxires eran venenosos, lo que llevó a los alquimistas chinos a moderar su peligrosidad variando sus ingredientes o por medio de manipulaciones químicas. A pesar de esto, uno de los descubrimientos químicos más grandes fue la pólvora, desarrollada en China (mezcla de salitre, azufre y carbón). Los chinos la conocían desde mucho antes que en Occidente aunque éstos la usaban para hacer fuegos artificiales. La pólvora llegó a Europa en el Siglo XIII. Entre los años 300 y 1100 d. de C. la historia de la química en Europa es prácticamente un vacío. Después del 650 d. de C. el mantenimiento y la extensión de la alquimia grecoegipcia estuvo totalmente en manos de los árabes, situación que perduró durante cinco siglos. Quedaron restos de este período en los términos químicos derivados del árabe: alambique, álcali, alcohol, garrafa, nafta, circón y otros. Los trabajos de los alquimistas de la Edad Media, aunque infructosos en el descubrimiento de la piedra filosofal y del elíxir de la larga vida, y por tanto estériles, produjeron indudables progresos en la química de laboratorio, puesto que prepararon nuevas sustancias, inventaron aparatos útiles y desarrollaron técnicas empleadas más tarde por los químicos. Desde el punto de vista metodológico, se debe a los alquimistas una operación fundamental en química: la operación de pesar. Sus filtros exigían una dosificación minuciosa de los ingredientes que se mezclaban: así en sus laboratorios “fáusticos”, los alquimistas elaboraron lo que más tarde iba a ser el método cuantitativo. El Renacimiento Es a partir del Renacimiento (siglo XV) que los alquimistas se convierten en químicos, y que todos estos hallazgos comienzan a verse desde otra perspectiva. El origen de la palabra química es incierto, no obstante, de acuerdo con cierta teoría, la palabra khemeia deriva del nombre que los egipcios daban a su propio país: Kham, por consiguiente, khemeia puede ser el arte egipcio. Una segunda teoría, algo más apoyada en la actualidad, hace derivar khemeia del griego khumus, que significa “el jugo de una planta”; de manera que khemeia sería el arte de extraer jugos. El mencionado jugo podría ser substituido por metal. De suerte que la palabra vendría a significar “el arte de la metalurgia”. Uno de los primeros científicos que surge con el nacimiento de esta nueva ciencia es Robert Boyle, quien formuló la ley de los gases que hoy lleva su nombre. En su obra El químico escéptico (1661), Boyle fue el primero en establecer el criterio moderno por el cual se define un elemento: una sustancia básica puede combinarse con otros elementos para formar compuestos y que por el contrario éstas no pueden descomponerse en una sustancia más simple. CONCEPTOS BÁSICOS 244 Ya hacia finales del siglo XVII, los químicos alemanes Johann Becher y Georg Stahl plantearon una sustancia hipotética que representaba la inflamabilidad que usaron para explicar el fenómeno de la combustión. La teoría del flogisto planteaba que toda sustancia inflamable contiene flogisto y, durante la combustión, esta sustancia perdía el flogisto hasta que se detenía. Se pensaba que el carbón o el azufre estaban formados exclusivamente por flogisto y de ahí derivaba su extrema combustibilidad. Posteriormente, el químico inglés Joseph Priestley realizó experimentos con combustiones y comprobó que lo que hoy llamamos oxígeno era necesario para la combustión, pero describió este gas como aire deflogistizado. Más tarde, Antoine Lavoisier (1743-1794), el científico considerado como el padre de la química moderna, descompuso el aire (que se suponía en ese entonces un elemento) en oxígeno y nitrógeno y demostró que la combustión es una reacción en la cual el oxígeno se enlaza químicamente con otra sustancia. De esta forma, la teoría del flogisto comenzó a ser refutada y desaprobada hacia el año 1800. Es de anotar que los éxitos de Lavoisier estimularon a los químicos a buscar y explorar otras áreas en las que las mediciones precisas pudieran iluminar el estudio de las reacciones químicas. Desgraciadamente, durante la revolución francesa, fue condenado por el tribunal revolucionario y sentenciado a la guillotina. Siglo XIX y las primeras teorías atómicas Durante esta época, el estudio de la química como ciencia se realizaba en forma sistemática y se centraba en las interacciones de los materiales (reacciones) y descubrimiento de nuevas sustancias. A principios del siglo XIX, el químico Inglés John Dalton contempló los elementos desde un punto de vista totalmente nuevo, sin descartar las nociones griegas del átomo. Dalton demostró que las diversas normas que regían el comportamiento de los gases podían explicarse tomando como base la naturaleza atómica de la materia. Según Dalton, cada elemento representaba un tipo particular de átomos, y cualquier cantidad de éste elemento estaba formada por átomos idénticos de esta clase. Lo que distinguía a un elemento de otro era la naturaleza de sus átomos. Y la diferencia básica entre los átomos radicaba en su peso. Así, los átomos de azufre eran más pesados que los de oxígeno; los de oxígeno, más que los de hidrógeno, etc. A lo largo del siglo XIX y pese a realizar múltiples investigaciones que implicaban la aceptación de las nociones de átomos y moléculas y a que, por lo general, los científicos estaban convencidos de su existencia, no se pudo aportar ninguna prueba directa de que fuesen algo más que simples abstracciones convenientes. Algunos destacados científicos, como el químico alemán Wilhelm Ostwald, se negaron a aceptarlos. Para él eran solamente conceptos útiles y no reales. 245 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE El surgimiento de la tabla periódica Con el aumento de los elementos químicos durante el siglo XIX, los químicos comenzaron a pensar en una forma de organizarlos y de encontrar características comunes entre ellos. En 1862, después de haber establecido Cannizzaro el peso atómico como una de las más importantes herramientas de trabajo de la química, un geólogo francés, Aléxandre Émile Beguyer de Chancourtois, comprobó que los elementos se podían disponer en forma de tabla por orden creciente, según su peso atómico, de modo que los de propiedades similares se hallaran en la misma columna vertical. Dos años más tarde, un químico británico, John Alexander Reina Newlands, llegó a disponerlos del mismo modo, independientemente de Chancourtois. Pero ambos científicos fueron ignorados o ridiculizados. Ninguno de los dos logró ver impresas sus hipótesis. Muchos años más tarde, una vez reconocida universalmente la importancia de la tabla periódica, sus investigaciones fueron publicadas al fin. A Newlands se le concedió inclusive una medalla. No obstante, fue el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendeléiev quien finalmente puso orden en la selva de los elementos. En 1869, él y el químico alemán Julius Lothar Meyer propusieron tablas de los elementos que, esencialmente, se regían por las ideas de Chancourtois y Newlands. Pero Mendeléiev fue reconocido por la ciencia, porque tuvo el valor y la confianza de llevar sus ideas más allá que los otros. No obstante, su mayor triunfo se atribuye al hecho de predecir las propiedades de algunos elementos aún no conocidos y asignar su posición en la tabla periódica. La estructura atómica La indivisibilidad del átomo comenzó a sucumbir a finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX, mediante experimentos que probaron la existencia de partículas más pequeñas que el átomo. Ejemplo de esto son los trabajos de radiactividad realizados por Becquerel con el descubrimiento de los rayos X y los experimentos con elementos y minerales radiativos de los esposos Pierre y Marie Curie (1898). De la misma forma, los electrones de J. J. Thompson (1898) y el descubrimiento del núcleo atómico por Lord Rutherford (1911). Con base en esto, Rutherford sugirió que el átomo posee un núcleo o centro, en el que se encuentra su masa y su carga positiva con electrones girando a su alrededor del núcleo en órbitas circulares (algo parecido a los planetas girando alrededor del Sol). El salto de lo clásico a lo cuántico El modelo de Rutherford, aunque válido desde algunas perspectivas, no satisfacía las leyes de la Física de la época, por tanto, una mejor propuesta fue presentada por el físico danés Niels Bohr, quien recurrió a la denominada teoría de los cuantos formulada por el alemán M. Planck (1858-1947). Según este modelo, los electrones sólo pueden circular alrededor del núcleo atómico en ciertas órbitas circulares, seleccionada de acuerdo con unas leyes expresables matemáticamente. No obstante, a este propuesta Sommerfeld le hizo algunas modificaciones e introdujo el concepto de subnivel. CONCEPTOS BÁSICOS 246 A pesar de esto, esta nueva visión no satisfizo a los científicos y finalmente se optó por una visión más compleja y matemática que trata con las probabilidades. En este modelo, no se puede afirmar con exactitud en qué punto se encuentra el electrón: no obstante, sí se puede preveer en qué región del espacio se hallará muy probablemente en un instante determinado. A esta región se le llama orbital atómico. Finales del siglo XX y comienzos del XXI: la búsqueda de la última partícula De la visión indivisible del átomo a la aparición del protón, electrón y neutrón, pasaron muchos años. No obstante, el hombre no se ha quedado ahí y sigue tratando de refutar la visión griega de que existe una última partícula hasta donde la materia puede dividirse. En esta búsqueda, han encontrado partículas especiales del tipo de los electrones pesados, llamadas muones, y piones o pimesones, que mantienen unidos a los protones y neutrones, utilizando aceleradores construidos para desintegrar los núcleos por medio de la rápida rotación de las partículas. Los electrones, los muones y los neutrinos son variaciones de una misma partícula llamada leptón; en tanto que los protones neutrones y piones son todos del tipo hadrón. Una tercera familia, conocida como bosones, incluye diminutas partículas mensajeras que transmiten toda la fuerza cósmica del universo. Los fotones, por ejemplo, son los bosones que transportan la fuerza electromagnética, y pueden existir partículas llamadas gravitones, responsables de la fuerza gravitatoria. Ahora los físicos creen que todos los hadrones están constituidos por partículas incluso más básicas llamadas quarks. De acuerdo con la teoría de los quarks, estos vienen en seis formas: arriba, abajo, extraño, encantado, fondo y cima. Los neutrones y los protones son en esencia tripletas de quarks; los piones son pares. Junto con los leptones, los quarks parecen ser las unidades constitutivas del universo. Como si esto fuera poco, los científicos han estado convencidos de que cada partícula tiene su antipartícula, su imagen reversa, semejante pero en todos los sentidos opuesta. Por cada electrón existe un positrón de carga positiva; por cada quark un antiquark, etc. En síntesis, aún no se sabe si ya se ha encontrado la última partícula que hace la materia, y la búsqueda aún continúa. Por cierto, el campo de las partículas subatómicas ha dejado de ser parte de la química y ha tomado mayor importancia en la física moderna. Para mayor información consultar las siguientes fuentes: http://www.monografias.com/trabajos/alquimia/alquimia.shtml http://www.geocities.com/manuvilla2000/ 247 FÍSICA, QUÍMICA Y AMBIENTE
