Capítulo 1: Panorama de la Biología

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1 Por qué estudiar Biología? Capítulo 1: Panorama de la Biología Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez Conocimiento de conceptos biológicos es vital para comprender nuestro entorno: retos globales que todos los humanos confrontamos: Población en aumento Recursos disponibles en disminución Enfermedades y epidemias Calentamiento global otros Panorama: Preguntas sobre el Mundo Viviente Evolución es el proceso de cambio que ha transformado la vida en la Tierra Biología es el estudio científico de la vida Los biólogos formulan preguntas tales como: Cómo una célula se desarrolla en un organismo multicelular complejo? Cómo funciona la mente humana? Cómo los organismos vivientes interactúan en las comunidades biológicas? El término vida desafía una definición simple de tan solo una oración de largo La vida se reconoce por lo que los seres vivientes hacen y ejecutan a lo largo de ella DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

2 Figure 1.2 Evolución, el tema central de la Biología Orden Adaptación evolutiva Regulación Reproducción Evolución hace y permite que todo lo que conocemos de los organismos vivientes haga sentido: Nothing in biology makes sense except in light of evolution Theodosius Dobzhansky Procesamiento energético Copyright 2014 Pearson Education, Inc. Crecimiento y desarrollo Respuesta al medio ambiente Los organismos vivientes en la Tierra son descencientes modificados (y adaptados) de ancestros comunes. Biología es un tema de amplia envergadura, pero hay cinco (5) temas unitarios: Organización Información Energía y materia Interacciones Evolución Adaptación: Las poblaciones evolucionan para tener mejor supervivencia Adaptaciones: Aquellas características que mejoran la habilidad de un organismo para subsistir en un ambiente en particular Pueden ser estructurales, fisiológicas, de comportamiento, o una combinación de éstas DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

3 Tema: Propiedades nuevas emergen a cada nivel en la jerarquía biológica La vida puede ser estudiada a diferentes niveles de organización, desde moléculas hasta el planeta completo Figure La Bioesfera 7 Tejidos 2 Ecosistemas 6 Órganos y Sistemas de órganos El estudio de la vida se puede dividir en diferentes niveles de organización biológica 3 Comunidades 5 Organismos 10 Moléculas 8 Células 9 Organelos 4 Poblaciones Propiedades Emergentes El Poder y las Limitaciones del Reduccionismo Una Propiedad Emergente resulta del arreglo e interacción de partes dentro de un sistema Las propiedades emergentes pueden caracterizar algunas entidades no biológicas Por ejemplo, una bicicleta funcional emerge solamente cuanto todas las partes necesarias se conectan entre sí de la forma correcta El reduccionismo es literalmente el reducir las partes de un sistema complejo y estudiarlas de forma separada (más manejable) Por ejemplo, la estructura molecular del DNA Un entendimiento de la biología usualmente crea un balance entre el reduccionismo con el estudio de las propiedades emergentes Por ejemplo, un nuevo entendimiento surge del estudio de las interacciones del DNA con otras moléculas DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

4 Biología de Sistemas Un sistema es la combinación de componentes que funcionan en conjunto La Biología de Sistemas construye modelos que expliquen el comportamiento dinámico de sistemas biológicos enteros. La forma en que se atienden las interrogantes de sistemas se llevan a cabo haciendo preguntas tales como: Cómo una droga para controlar la presión sanguínea afecta a otros órganos en el cuerpo? Cómo es que el aumento en la concentración de CO 2 en la atmósfera puede alterar la bioesfera completa? Tema: Los organismos interactúan con su medio ambiente, intercambiando materia y energía Cada organismo interactúa con su medio ambiente, incluyendo factores abióticos y otros organismos Tanto el organismo como el medio ambiente se ven afectados por la interacción entre éstos: Por ejemplo, un árbol absorbe agua y minerales del suelo y CO 2 del aire; el árbol libera O 2 al aire y sus raíces ayudan en la formación del suelo. Dinámica de Ecosistemas Conversión de Energía Las dinámicas de un ecosistema incluyen dos procesos mayores: El ciclaje de nutrientes, en el cual los materiales adquiridos por las plantas eventualmente regresan al suelo El flujo de energía de la luz solar hacia los productores y luego a los consumidores Todo trabajo requiere una fuente de energía La energía se puede almacenar de formas diferentes, como por ejemplo, luz, química, cinética o termal El intercambio de energía entre un organismo y su medio ambiente muchas veces envuelve transformaciones energéticas La energía fluye a través de un ecosistema, entrando al mismo usualmente en forma de luz y saliendo del mismo en forma de calor DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

5 Figure 1.10 Luz solar Figure 1.6 Hojas caen al suelo y son descompuestas por organismos que regresan los minerales al suelo. Hojas absorben energía lumínica del sol. Ciclos de nutrientes químicos Leaves take in CO 2 carbon dioxide from the air and release oxygen. O 2 Sunlight Chemical energy Producers absorb light energy and transform it into chemical energy. Chemical energy in food is transferred from plants to consumers. An animal s muscle cells convert chemical energy from food to kinetic energy, the energy of motion. Heat When energy is used to do work, some energy is converted to thermal energy, which is lost as heat. A plant s cells use chemical energy to do work such as growing new leaves. Agua y minerales en el suelo se absorben hacia el árbol a través de sus raíces. Animales comen hojas y frutos del árbol. (a) Energy flow from sunlight to producers to consumers (b) Using energy to do work Tema: Estructura y función se encuentran correlacionadas a todos los niveles de organización biológica Fig. 1-6 Estructura y función de los organismos vivientes están estrechamente relacionadas Por ejemplo: las hojas en las plantas son usualmente delgadas y planas para maximizar la captura de luz de los cloroplastos (a) Alas (b) Huesos Membrana invaginada Mitocondrio (c) Neuronas 100 µm (d) Mitocondrios 0.5 µm DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

6 Tema: La célula es la unidad básica de estructura y función de los organismos La celula es el nivel más bajo de organización que puede llevar a cabo todas las actividades y funciones requeridas para la vida Todas las células: Están envueltas en una membrana; Utilizan DNA como portador de información genética La habilidad de las células para dividirse es la base para la reproducción, crecimiento, y reparación de los organismos multicelulares Copyright 2014 Pearson Education, Inc. Tipos de células Procariota: solamente bacterias y Archaea, pequeñas en tamaño Eucariota: contienen una variedad de organelos rodeados por membranas, incluyendo un núcleo, con el material genético (DNA); plantas, animales, hongos y otros Fig. 1-8 Célula Eucariota Membrana Citoplasma Célula Procariota DNA (sin núcleo) Membrana Tema: La continuidad de la vida tiene su base en la información heredable en forma de DNA Los cromosomas contienen la mayor parte del material genético de una célula en forma de DNA (ácido deoxiribonucléico) El DNA es la substancia de los genes Los Genes son las unidades de la herencia que transmiten dicha información de los parentales a la progenie Organelos Núcleo (contiene DNA) 1 µm Copyright 2014 Pearson Education, Inc. DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

7 DNA: Estructura y Función Fig. 1-9 Cada cromosoma posee una molécula larga de DNA que posee cientos o miles de genes Célula espermática El DNA es heredado por la progenie de parte de sus parentales Núcleo que contiene DNA El DNA controla el desarrollo y mantenimiento de los organismos Óvulo Óvulo fecundado Con DNA de ambos parentales Células del embrión con copias del DNA heredado Progenie con rasgos Heredados de ambos parentales DNA: información codificada El DNA es una molécula grande (macro) de la que se componen los genes Los genes codifican la información específica de las instrucciones utilizadas en todos los organismos La estructura de esta molécula fue dilucidada por Watson y Crick en el 1953 La molécula de DNA consiste de dos cadenas de átomos en una doble hélice DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

8 Fig Núcleo DNA Flujo de información Célula Nucleótido La molécula de DNA contiene las recetas para sintetizar proteínas; Son las proteínas las que determinan la estructura y función de las células y tejidos mediando en la síntesis de otras moléculas, o modificando estructuras (a) DNA doble hélice (b) DNA hebra sencilla Flujo de información: corta distancia Flujo de información: larga distancia En organismos multicelulares, la comunicación con las células adyacentes es muy crítica Algunas proteínas se encargan de esta comunicación entre células (ej: membranas) Comunicación célula-célula puede ser compleja, y envuelve señales moleculares entre las mismas. Muchas veces la información debe ser transmitida a diferentes partes del cuerpo para mantener la homeostasis del organismo y para el desenvolvimiento del organismo en su medio ambiente. Esta información es transmitida por: Hormonas Neurotransmisores (y sus receptores) DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

9 Biología de Sistemas al nivel de Células y Moléculas Los genes controlan la producción de proteína de forma indirecta El DNA se transcribe a RNA y éste se traduce a una proteína El genoma de un organismo es el juego completo de instrucciones genéticas El genoma humano y el de muchos otros organismos se ha podido secuenciar utilizando máquinas secuenciadoras de DNA El conocimiento de los genes y proteínas de una célula se pueden integrar utilizando el el mecanismos de biología de sistemas Fig Fig Superficie celular y exterior de membrana Citoplasma Núcleo DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

10 Avances en la biología de sistemas a nivel celular y molecular dependen de Tecnología High-throughput, capaz de generar cantidades gigantescas de datos Bioinformática, que es el uso de herramientas computacionales para procesar grandes cantidades de datos Equipos de investigación interdisciplinarios Tema: Mecanismos de retroalimentación regulan los sistemas biológicos Los mecanismos de retroalimentación ( feedback ) permiten la auto-regulación de los procesos biológicos Retroalimentación Negativa: a medida que se acumula el producto, el proceso que lo genera se hace más lento y menor cantidad del producto es producida Retroalimentación positiva: a medida que se acumula más cantidad del producto, el proceso que lo genera se acelera y más cantidad de producto se genera Fig Retroalimentación Negativa A Enzima 1 Organización en la Diversidad de la Vida D Exceso en D bloque el D paso en Rx D (a) Retroalimentación Negativa B C D Enzima 2 Enzima 3 Hay aproximadamente unas 1.8 millones de especies que han sido identificadas y nombradas, y miles más son identificadas cada año Retroalimentación Positiva + W X Enzima 4 Enzima 5 Se estima que el número total de especies que pueden existir actualmente ronda entre los 10 a más de 100 millones Exceso de Z estimula el Paso en Rx Z Z Z Y Enzima 6 Z (b) Retroalimentación Positiva DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

11 Agrupamiento de especies Taxonomía es la rama de la biología que nombra y clasifica las especies en grupos cada vez más abarcadores Los Dominios, seguido por los Reinos, son las unidades más abarcadoras en la clasificación Fig Ursus americanus (Oso Negro Americano) Especie Género Familia Órden Clase Filo Reino Dominio Ursus Ursidae Carnivora Mammalia Chordata Animalia Eukarya Los Tres Dominios de la Vida Fig (a) DOMINio BACTERIA Actualmente utilizamos el sistema de tres Dominios, el cual reemplaza al sistema de cinco reinos utilizados anteriormente Los Dominios Bacteria y Archaea consisten de procariotas (b) DOMINio ARCHAEA (c) DOMINio EUKARYA El Dominio Eukarya incluye a todos los organismos eucariotas (Plantas, Hongos, Protistas y Animales) Protistas Reino Plantae Reino Fungi Reino Animalia DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

12 Unidad en la Diversidad de la Vida El dominio Eukarya incluye tres reinos de organismos multicelulares: Plantae Fungi Animalia Otros organismos eucariotas anteriormente fueron agrupados en un reino llamado Protista; en la actualidad éstos se agrupan en varios reinos separados En la diversidad de la vida es evidente que hay unidad común en varios aspectos: El DNA es el lenguaje genético universal común a todos los organismos Esta unidad es evidente en muchas de las características de la estructura celular Fig Charles Darwin y la Teoría de Selección Natural 15 µm 5 µm Los fósiles y otras evidencias documentan la evolución de la vida en la Tierra en varios billones de años Cilio de Paramecium 0.1 µm Corte seccional de un cilio, visualizado con un microscopio electrónico Cilio de Células bronquiales DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

13 Evolución Selección Natural La teoría evolutiva fue desarrollada por Charles Darwin y Alfred R. Wallace The Origin of Species by Natural Selection publicada en 1859 Darwin esboza dos puntos principales: Las especies muestran evidencia de descendencia con modificación a partir de ancestros comunes La Selección Natural es el mecanismo que mueve esa descendencia con modificación La teoría de Darwin explica la dualidad de la unidad y diversidad La selección natural se fundamenta en cuatro observaciones: Los miembros de una misma especie exhiben polimorfismo (variación) Los organismos producen mucho más progenie de la que subsiste (sobreproducción) Los organismos compiten entre sí por los recursos y la reproducción Solamente algunos sobreviven esta competencia y son exitosos en la reproducción Las especies generalmente se adaptan a su medioambiente Variación (polimorfismo) entre individuos de una misma especie Es el resultado de diferentes variedades de genes que codifican para cada característica; Es el resultado de mutaciones aleatorias (al azar) Mutaciones: cambios físicos y químicos en la secuencia del DNA que pueden ser heredados. Modifica los genes DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

14 Selección artificial: Cruciferaceae Masas de huevos recién puestas por una rana selvática y esporas de un hongo: se producen más de los que sobeviven Figure 1.UN10 Poblaciones de organismos Darwin infiere que: Los individuos que mejor adaptados estén a su ambiente son los que probablemente sobrevivan y lleven a cabo reproducción A través del tiempo, más individuos en la población poseerán los rasgos ventajosos En otras palabras, el medioambiente natural selecciona los rasgos beneficiosos Variaciones Hereditarias Factores ambientales Diferencias en el éxito reproductivo de individuos Sobreproducción de progenie y competencia Evolución de adaptaciones en la población DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

15 El Árbol de la Vida Concepto de homología Unidad en la diversidad tiene su origen en la descendencia con modificación Ejemplo de esto son el ala del murciélago, el brazo humano, la pata anterior del caballo y la aleta de una ballena todas muestran una arquitectura esqueletal común Además, los fósiles proveen evidencia adicional de la unidad anatómica producto de la descendencia con modificación Homologías en las patas anteriores de los tetrapoda Divergencia morfológica en las patas anteriores de los tetrápoda DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

16 Figure 1.20 Darwin propuso que la selección natural ocasionaría que una especie ancestral daría origen a dos o más especies descendientes Ejemplo: los pinzones ( finches ) de las Islas Galápagos Las relaciones evolutivas se ilustran muy a menudo con diagramas ramificados (árboles) que muestran los ancestros y sus descendientes COMMON ANCESTOR Warbler finches Tree finches Ground finches Insect-eaters Insect-eaters Seed-eaters Budeater Seedeater Cactus-flowereaters Green warbler finch Certhidea olivacea Gray warbler finch Certhidea fusca Sharp-beaked ground finch Geospiza difficilis Vegetarian finch Platyspiza crassirostris Mangrove finch Cactospiza heliobates Woodpecker finch Cactospiza pallida Medium tree finch Camarhynchus pauper Large tree finch Camarhynchus psittacula Small tree finch Camarhynchus parvulus Large cactus ground finch Geospiza conirostris Cactus ground finch Geospiza scandens Small ground finch Geospiza fuliginosa Medium ground finch Geospiza fortis Large ground finch Geospiza magnirostris Los científicos utilizan dos formas principales de averiguación o escubrimiento en el estudio de la naturaleza La palabra ciencia se deriva del Latín y significa saber Inquirir (averigüar) es la búsqueda de información y explicación Ciencia del Descubrimiento Ciencia del Descubrimiento describe los procesos y estructuras naturales Este método tiene sus bases en la observación y el análisis de datos Hay dos tipos principales de averiguación o descubrimiento científico: ciencia del descubrimiento y ciencia basada en el establecimiento de hipótesis DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

17 Tipos de Datos Figure 1.21 Los datos son aquellas observaciones o piezas de información que han sido anotadas Los datos caen en dos categorías cualitativos, o descripciones en lugar de medidas cuantitativos, o medidas anotadas, que muchas veces se organizan en tablas y gráficas Método Científico El método científico requiere un pensamiento sistemático (ordenado) y crítico: El razonamiento deductivo nos permite llegar a las conclusiones de las premisas iniciales; El razonamiento inductivo comienza con las observaciones y nos lleva a conclusiones o simples extrapolaciones La Inducción en la Ciencia del Descubrimiento Razonamiento Inductivo llega a conclusiones por medio del proceso lógico de inducción La observación de forma repetida de eventos específicos nos llevan a generalizaciones importantes: Ejemplo, el sol siempre se levanta por el Este DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

18 Ciencia basada en Hipótesis Las observaciones nos llevan a formular preguntas y a proponer explicaciones hipotéticas llamadas hipótesis Una hipótesis es una respuesta tentativa a una pregunta bien formulada Una hipótesis científica nos lleva a predicciones que pueden ser puestas a prueba por medio de observaciones o por experimentación Ejemplos de linterna y automóvil: Observación Preguntas Hipótesis 1 Hipótesis 2 Ambas hipótesis se pueden poner a prueba Deducción: La ciencia con base en el enunciado si entonces Razonamiento Deductivo utiliza premisas generales para hacer predicciones específicas Figure 1.22 Observación: Linterna no funciona. Pregunta: Por qué no funciona la linterna? Ejemplo, si los organismos están compuestos de células (premisa 1), y los humanos son organismos (premisa 2), entonces los humanos están compuestos de células (predicción deductiva) Hipótesis #1: Baterias agotadas. Predicción: Reemplazando baterias resuelvo el problema. Prueba de la predicción: Reemplazo baterias. Hipótesis #2: Bombilla esta fundida. Predicción: Reemplazando bombilla resulevo el problema. Prueba de la predicción: Reemplazo bombilla. Resultado: Linterna no funciona. Hipótesis es contradecida. Resultado: Linterna funciona. Hipótesis es apoyada. DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

19 Una hipótesis debe ser puesta a prueba y ser falsificable Para ésto, usualmente se establecen dos o más hipótesis alternas Si se fracasa en hacer falsa la hipótesis, no significa que la hipótesis era necesariamente cierta Ejemplo, si reemplazas la bombilla y ahora funciona, solamente apoya la hipótesis de que la anterior estaba quemada, pero no lo prueba, quizás la primera bombilla estaba mal enroscada Estudio en indagación científica: Investigando Coloración de la piel en poblaciones de ratones Patrón de coloración en animales varía ampliamente en la naturaleza, a veces entre miembros de la misma especie. Dos poblaciones de ratones de campo de la misma especie (Peromyscus polionotus) pero con patrones de color diferentes que se encuentran en medios ambientes diferentes El ratón costero vive en las dunas de arena blanca con vegetación esparcida; el ratón de tierra adentro habita suelos órgánicos más oscuros Figure 1.24 Figure 1.25 Florida Inland population Resultados Hábitat costero Hábitat orgánico GULF OF MEXICO Beach population Porciento de modelos atacados Modelos claros Modelos oscuros Modelos claros Modelos oscuros Beach population Inland population Camuflados No-camuflados No-camuflados Camuflados (control) (experimental) (experimental) (control) DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

20 Diseño de Experimentos Controlado Limitaciones de la Ciencia Un experimento controlado compara un grupo experimental (los ratones no camuflados) con un grupo control (ratones camuflados) Idealmente, sólo la variable de interés (el patrón de color) difiere entre el grupo control y el grupo experimental Las observaciones y resultados experimentales deben ser repetibles por otros La ciencia no puede apoyar o falsificar explicaciones sobrenaturales que están fuera de lo que es ciencia Un experimento controlado significa que los grupos control se usan para cancelar los efectos de variables no deseadas Un experimento controlado no significa que todas las variables no deseadas se han mantenido constante Teorías en la Ciencia Construcción de Modelos en la Ciencia En el contexto de la ciencia, una teoría es: De mayor alcance que una hipótesis General, y puede dar lugar a nuevas hipótesis que pueden ser verificadas Apoyada por una gran cantidad de evidencia en comparación a una hipótesis Modelos son representaciones de fenómenos naturales y pueden tomar la forma de: Diagramas Objetos tri-dimensionales Programados de Computadoras Ecuaciones matemáticas DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ

21 Cultura de la Ciencia Ciencia, Tecnología, y Sociedad La mayoría de los científicos trabajan en equipos, los cuales muchas veces incluyen estudiantes graduados y subgraduados Una buena comunicación es importante para poder compartir y diseminar los resultados de las investigaciones a través de seminarios, publicaciones, páginas del web, etcétera. La meta de la ciencia es conocer y entender los fenómenos naturales La meta de la tecnología es aplicar el conocimiento científico para un propósito específico La ciencia y la tecnología son interdependientes La biología está marcada por descubrimientos, mientras que la tecnología está marcada por inventos La combinación de ciencia y tecnología tiene efectos dramáticos y profundos en la sociedad Ejemplo de esto es el descubrimiento del DNA por James Watson y Francis Crick permitió avances en tecnologías del DNA que sirven varios propósitos, entre éstos, la búsqueda de genes asociados a enfermedades hereditarias Situaciones éticas pueden surgir del desarrollo de nuevas tecnologías, que tienen que ver lo mismo con política, economía, y valores culturales que con la ciencia y tecnología DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ