04 niveles de organización - SILADIN Oriente
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Apoyo a B2_U2_T2.1 UNAM, CCH. 1 LECTURAS DE BIO-II, 2ª UNIDAD. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. Los niveles de organización biológica y ecológica de los seres vivos Dr. Arcadio Monroy Ata e-mail: [email protected] ¿Cómo está organizado el mundo vivo? Comprender la estructura y funcionalidad de los organismos permite diseñar planes de manejo de recursos naturales renovables y ver el esqueleto determinista de la biosfera vestido de formas y colores aparentemente casuales. ¿Qué son los niveles de organización de los seres vivos? Todos los objetos, sistemas, elementos y partículas del universo conocido están organizados en niveles jerárquicos de complejidad creciente. Por ejemplo, los átomos están conformados por protones, neutrones y electrones, los cuales, a su vez están constituidos por partículas subatómicas como los quarks, leptones, mesones y otras; los átomos se vinculan con otros átomos, iguales o diferentes, para formar moléculas como el agua, que es el resultado de la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Las moléculas, a su vez, reaccionan con otras moléculas para conformar moléculas más grandes y de mayor complejidad estructural. El mundo vivo ha seguido el mismo patrón de conformación de estructuras desde la aparición de la vida en nuestro planeta, hace unos cuatro mil millones de años (la Tierra tiene una edad de cuatro mil quinientos millones de años). En efecto, el origen de la vida terrestre surge a partir de la evolución química de moléculas nucleadas por el carbono, las cuales llegaron a conformar el llamado “mundo del RNA” (ácido ribonucleico, por sus siglas en inglés). La molécula de RNA tiene tres características que son esenciales en los sistemas vivos: a) código de información, que permite conservar estructuras de una generación a la siguiente, b) actividad catalítica, similar a la catálisis de las enzimas constituidas por proteínas en el metabolismo del mundo vivo actual, y c) maquinaria reproductiva, es decir, que se puede duplicar para generar una réplica igual o muy semejante (si ocurre alguna mutación) al modelo original. Asimismo, las moléculas de RNA ya tienen las características necesarias para que opere la Selección Natural: a) variabilidad b) reproducibilidad y c) heredabilidad. Esto permite la evolución hacia sistemas cada vez más eficientes en las funciones que desempeñan. De acuerdo a lo anterior, el objetivo de este documento es explicar la conformación de los niveles de organización ecológica de los seres vivos. Como la ecología es la ciencia que estudia la interacción de los organismos entre sí y con su medio ambiente, las escalas que comprende la organización ecológica del mundo vivo son supra-individuales, es decir entre el individuo y la biosfera (el conjunto de todos los seres vivos del planeta). Conformación de los niveles de organización biológica Los niveles de organización representan el grado de complejidad estructural de un sistema. En la naturaleza, estos niveles están relacionados entre sí de manera jerárquica: un nivel se conforma con elementos del nivel precedente hasta constituir un sistema en el que aparecen propiedades o cualidades nuevas (llamadas propiedades emergentes) propias de este conjunto. Normalmente se requiere alcanzar un número determinado de elementos para conformar la “masa crítica” del nivel siguiente. Por ejemplo, un conjunto de 8 individuos no conforma una población, pero si conviven 800 individuos en un área particular, entonces aparecen características que son exclusivas de la población y no del individuo, como la estructura de edades y de sexos, la tasa de natalidad y de reproducción, la curva de sopervivencia (o de mortalidad), etc. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. Apoyo a B2_U2_T2.1 2 LECTURAS DE BIO-II, 2ª UNIDAD. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. UNAM, CCH. La segunda ley de la dialéctica de Hegel menciona la transición de lo cuantitativo hacia lo cualitativo, en el sentido de que al conformarse un conjunto de elementos llega un punto en el que el conjunto adquiere cualidades nuevas, es decir, el nuevo sistema es más que la suma de los elementos que lo constituyen. Aquí aplica la regla: “la escala crea el fenómeno”. La estructuración secuencial de los niveles de organización hace que éstos estén concatenados (anidados) uno con otro. Asimismo, la estructura vertical de los niveles de organización permite que un nivel determinado establezca las bases del nivel superior siguiente y que la estructura y función de un nivel particular pueda ser explicada más fácilmente desde el nivel de organización precedente o anterior. También, se ha establecido la hipótesis de que los niveles de organización surgen en dimensiones fractales específicas. Esto significa que como los objetos de la naturaleza no tienen dimensiones enteras (no hay líneas rectas) sino fraccionarias (entre 0 y 1, 1 y 2 ó entre 2 y 3), su arreglo geométrico sigue reglas de estructuración basadas en la iteración (repetición y acumulación) de una propiedad o característica, lo que facilita la comunicación vertical entre niveles de organización, mediante la resonancia entre estructuras similares, pero agrupadas en escalas distintas (por ejemplo entre una hoja de árbol, una rama, un conjunto de ramas y el árbol entero). Cuadro 1. Los niveles de organización biológica Nivel Definición Individuo Organismo que se distingue de otros por sus características particulares Conjunto de individuos interfértiles que coexisten en un mismo hábitat Conjunto de poblaciones que viven en una misma área al mismo tiempo Conjunto de comunidades que coexisten en un mismo territorio Conjunto de paisajes que interactuan en una misma unidad fisiográfica Población Comunidad Paisaje Región Bioma Biósfera Conjunto de asociaciones de flora, fauna, hongos y microorganismos que coexisten determinados por un mismo tipo de clima El conjunto de todos los seres vivos del planeta Propiedades emergentes crecimiento reproducción densidad tipo de distribución diversidad dominancia heterogeneidad conectividad dinámica hídrica balance de nutrimentos tipo de vegetación formas de vida Ejemplos pino, oyamel, ardilla, humano conjunto de encinos población de conejos bosque de pino-encino arrecife coralino bosque-lago-cultivos pastizal-río-granjas Cuenca del Valle de México Cuenca del río Balsas selva tropical zonas áridas bioclima los seres vivos de la autorregulación atmosférica geósfera, hidrósfera y atmósfera Cuadro 2. Relación entre estructura y función en los niveles de organización biológica Nivel de organización Biomolécula Organelo Célula Tejido Órgano Aparatos y sistemas Individuo Población-bioma UNAM, CCH. Estructuras características Biopolímeros y enzimas Citoestructuras (encapsuladas o no) Funciones básicas Andamiaje y catálisis Metabolismo (anabolismo y catabolismo) Unidades constitutivas fundamentales de los Integración del metabolismo seres vivos Biocapas y sistemas fluidos Vinculación y comunicación Centros de procesamiento Centros de reacción Anatomía Fisiología Morfología Funcionalidad Patrones Procesos Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. Apoyo a B2_U2_T2.1 3 LECTURAS DE BIO-II, 2ª UNIDAD. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. UNAM, CCH. ¿Qué es la complejidad? Los cuadros 1 y 2 muestran los diferentes niveles de organización biológica y la relación entre estructura y función en cada nivel, respectivamente. Es importante señalar que en cada nivel hay sistemas y procesos que son exclusivos de ese nivel, por lo que existen métodos de estudio apropiados a las estructuras y funciones que se desarrollan, en cada una de las distintas escalas de organización de la materia viva. Asimismo, el tiempo en el que ocurren los procesos de cada nivel son muy variables y van de los milisegundos en el metabolismo celular (como en la comunicación neuronal) hasta los cientos de millones de años (como en el caso de la deriva de los continentes). Es necesario subrayar que al incrementarse el nivel de organización, aumenta la complejidad del nuevo sistema, es decir, es mayor el grado de estructuración y vinculación de elementos, en el siguiente nivel de integración del mundo vivo. Aquí es pertinente definir el aumento en la complejidad de un sistema de la siguiente manera: a) mayor número de estructuras b) mayor vinculación entre elementos c) mayor autoregulación d) mayor autonomía e) mayor número de grados de libertad f) mayor conectividad g) mayor número de reglas de asociación h) mayor cantidad de información El resultado de llegar a integrar un nuevo sistema o nivel de organización, con propiedades emergentes propias, es adquirir una mayor funcionalidad. Esto es vital en un mundo donde sólo lo óptimo sobrevive y en donde la competencia por recursos de uso común; que son escasos elimina, vía Selección Natural, los modelos subóptimos o menos eficientes. Una pregunta interesante que se han planteado muchos investigadores respecto a los niveles de organización es saber si éstos son sistemas continuos o discretos, es decir, si cada nivel es una pequeña cresta entre una gradación paulatina de sistemas intermedios o cada nivel es un salto organizacional sin puntos intermedios. La respuesta es que son sistemas continuos (como las variables que resultan de medir) y que los niveles más discretos (como las variables que resultan de contar unidades), son el individuo y la biosfera. En efecto, entre individuo y población encontramos familias, castas, demos y metapoblaciones y entre población y comunidad se encuentran los gremios de especies y las subcomunidades. ¿El ecosistema es un nivel de organización biológica? La respuesta es no Lo anterior es debido a que el ecosistema es el conjunto formado por una comunidad biótica (productores, consumidores y desintegradores) y su medio ambiente físico (aire, agua y sustrato o suelo), entonces el ecosistema no tiene por qué aparecer en los niveles de integración de los seres vivos; en efecto, el ecosistema es un concepto funcional, como el nicho ecológico y es mucho más que una agrupación de organismos, ya que considera el entorno físico y los flujos de energía que mantienen su funcionamiento. Si se sigue la lógica de construcción de nuevos niveles de organización como un conjunto de elementos del nivel precedente, lo que surge después de la población es la comunidad y un conjunto de comunidades genera un paisaje. En todos los casos se tiene, como una consideración general, que todos los seres vivos se desarrollan en un medio ambiente particular. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. Apoyo a B2_U2_T2.1 UNAM, CCH. 4 LECTURAS DE BIO-II, 2ª UNIDAD. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. La confusión que incluye al ecosistema en los niveles de organización de los seres vivos, surge a partir de que muchos libros de texto de ecología citan erróneamente al ecosistema como nivel de integración entre comunidad y bioma. También, se debe señalar que el ecosistema es la célula organizacional de la biósfera, debido a que todos los organismos viven en un ecosistema particular, pero un ecosistema puede desarrollarse tanto en una gota de agua como en toda la Tierra (la ecósfera), por lo que sus escalas espaciales de integración funcional, son distintas de las escalas de los niveles de organización de los seres vivos. ¿Cuáles son los niveles de organización ecológica? Un sistema ecológico es un conjunto conformado por un grupo de organismos y su entorno ambiental, el cual incluye tanto factores abióticos como todas sus interacciones bióticas. Por ello, los niveles de organización ecológica son los siguientes: a) b) c) d) micrositio (una plántula más su medio ambiente) nicho ecológico (la función ecológica de una especie) ecosistema (una comunidad más su medio ambiente) ecósfera (la biosfera más su medio ambiente) En estos casos se trata de sistemas ecológicos que incluyen organismos y sus interacciones bióticas y abióticas, de tal manera que conforman unidades funcionales donde se integran componentes orgánicos e inorgánicos, estructura y función, organización y dinámica y patrones y procesos. De esta manera, los niveles de organización ecológica son subconjuntos del ecosistema global Conclusiones Finalmente cabe preguntarse ¿por qué surgen los niveles de organización? Es interesante observar que la vida a nivel unicelular es ya compleja y funcional, ya que se ha adaptado a ambientes incluso extremos en temperatura, salinidad, pH, humedad, etc ¿por qué surgieron los organismos pluricelulares? La respuesta es que se incrementa la eficiencia y funcionalidad de un sistema al aumentar su nivel de organización y esto le permite tener una mayor autonomía, gracias a un mayor reservorio de respuestas, ante las contingencias ambientales y ecológicas de su entorno. Esto significa mayores posibilidades de sobrevivir y de evolucionar en un mundo nada fácil para cualquier ser vivo. Entonces, los procesos ecológicos y evolutivos nos indican que los seres vivos buscan incrementar su grado de complejidad (por ejemplo: formando simbiosis con otros organismos), porque al tener un mayor reservorio de respuestas ante los problemas de la vida cotidiana, se podrá elegir una mejor solución y esto ya es ventaja ante otros competidores. Aplicar el principio de construir nuevos niveles de organización, en cualquier escala, incluyendo los seres humanos, es seguir la lógica de funcionamiento de la naturaleza y es avanzar en el mismo sentido de los sistemas que evolucionan hacia nuevas unidades integrativas, que son justamente las que tienen mayor éxito, tanto en los ecosistemas como en la sociedad humana. Bibliografía Binning, Gerd (1989) The fractal structure of evolution. En: “Fractals in Physics” A. Aharon y J. Feder (editores). Elservier Science Publishers. North-Holland, Amsterdam, Holanda. pp: 32-36. De Angelis, D.L. y L. J. Gross, editores (1992) Individual Based Models and Approaches in Ecology: Populations, Communities and Ecosystems. Chapman & Hall. Londres, Gran Bretaña. 525 pp. O´Neill, Luke, Michael Murphy y Richard B. Gallagher (1994) What are we? Where did we come from? Where are we going? Science. Vol. 263. Enero 14. pp: 181-183. Stiling, Peter D. (1992) Introductory Ecology. Prentice Hall. 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