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SOLOMON BERG MARTIN
N O V E N A
E D I C I Ó N
© D.R. 2013 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning®^ es una marca registrada usada bajo permiso.
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Traducido del libro Biology , Ninth Edition. Eldra P. Solomon/Linda R. Berg/Diana W. Martin Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía de Cengage Learning © 2011 ISBN: 978-0-538-74125-
Datos para catalogación bibliográfica: Solomon, Eldra P., Linda R. Berg y Diana W. Martin Biología , Novena edición ISBN: 978-607-481-934-
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Biología Novena edición Eldra P. Solomon/Linda R. Berg/ Diana W. Martin
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Impreso en México
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1 Una visión de la vida
El virus H1N1 es la causa de la infl uenza H1N1 (gripe). Las partículas del virus H1N1 (azul) son visibles en la célula (verde). Cuando esta cepa de virus emergió, el sistema inmunológico humano no reconocía su nueva combinación de genes. Como resultado, el virus se propagó fácilmente, causando una pandemia. El color de la micrografía electrónica de barrido (SEM) ha sido mejorado.
CONCEPTOS CLAVE
1.1 Los temas básicos de biología incluyen evolución, transfe- rencia o fl ujo de información y transferencia o fl ujo de energía.
1.2 Las características de la vida incluyen estructura celular, crecimiento y desarrollo, metabolismo autorregulador, res- puesta a los estímulos, y reproducción.
1.3 La organización biológica es jerárquica e incluye molécu- las, célula, tejido, órgano, sistema de órganos e individuo; la organización ecológica incluye la población, comunidad, ecosistema y biosfera.
1.4 La transferencia de información incluye la del ADN de una generación a la siguiente, la transmisión de señales químicas y eléctricas dentro de las células de cada organismo y entre ellas, y de los productos químicos, así como de la información visual y sonora que permiten en conjunto a los organismos comunicarse unos con otros e interactuar con su entorno.
1.5 Los individuos y ecosistemas enteros dependen de un aporte continuo de energía. La energía fluye dentro de las células y de un organismo a otro.
1.6 La evolución es el proceso mediante el cual los organismos de las poblaciones cambian con el tiempo, adaptándose a las modifi caciones en su entorno; el árbol de la vida incluye tres ramas principales, o dominios de vida.
1.7 Los biólogos se preguntan, formulan hipótesis, hacen predicciones y recogen datos de una cuidadosa observación y experimentación, y con base en sus resultados, llegan a conclusiones.
NIBSC/Science Photo Library
E
l brote de influenza H1N1 (gripe) se convirtió en el centro de atención mundial en abril de 2009. En pocos meses, más de 200 países habían notificado casos confirmados de esta enfermedad viral, la gripe H1N1 había causado miles de muertes. De acuerdo con Centros para el Control y Pre- vención de Enfermedades (CDC), de Estados Unidos, más de 200 agentes patógenos conocidos (organismos causantes de enfermedades) tienen el potencial de amenaza mundial. Históricamente, las cepas virales nuevas han cobrado muchas vidas humanas. Por ejemplo, en 1918, una pandemia de gripe mató a más de 20 millones de personas en todo el mundo. Los epidemiólogos advierten que aún hoy en día una pandemia de gripe podría matar a millones de personas. Las pandemias como la gripe H1N1 tienen un impacto global negativo. Afectan muchos aspectos de la vida, como la economía, los viajes, el turismo y la educación. Armados con nueva tecnología, los biólogos trabajan estrechamente con profesionales de la salud pública y de otras áreas de la salud para prevenir pandemias peligrosas. Cuando surge un nuevo agente causante de enfermedad, los biólogos estudian sus relaciones evolutivas con pató- genos conocidos. Por ejemplo, los investigadores han determinado que la pandemia de gripe de 1918 fue causada por el virus de influenza A (H1N1) que pudo haber mutado y recientemente emergido de una cepa porcina o aviar. La cepa de H1N1 que fue identificada en 2009 estuvo relacionada con el patógeno de 1918. Los biólogos determinaron que la cepa de H1N1 de 2009 evolucionó a partir de una combinación de cepas de este virus provenientes de cerdos, aves y seres humanos infectados. Además encontraron que esta cepa de H1N1 contiene una combinación única de segmentos de genes para los que los humanos no tienen inmunidad preexistente.
Una visión de la vida 3
La regulación de la concentración de la glucosa (un azúcar simple) en la sangre de los animales complejos es un buen ejemplo de un meca- nismo homeostático. Sus células requieren un suministro constante de moléculas de glucosa, que se desdobla o rompe para obtener energía. El sistema circulatorio proporciona glucosa y otros nutrientes a todas las células. Cuando la concentración de glucosa en la sangre se eleva por encima de los límites normales, el exceso de glucosa se almacena en el hígado y en las células musculares en forma de glucógeno. Si usted no come durante unas cuantas horas, la concentración de glucosa empieza a bajar. Su cuerpo convierte los nutrientes almacenados en glucosa, regre- sando los niveles normales de glucosa en la sangre. Cuando la concentra- ción de glucosa disminuye, usted siente hambre y al comer se restauran los nutrientes.
Algunas de las formas más simples de vida, como los protozoarios, son organismos unicelulares , lo que significa que cada uno consta de una sola célula ( FIGURA 1-1 ). Por el contrario, el cuerpo de un perro o un árbol de arce están formados de miles de millones de células. En este tipo de organismos multicelulares complejos, los procesos de la vida dependen de las funciones coordinadas de sus componentes celula- res que pueden estar organizadas en forma de tejidos, órganos y sistemas de órganos. Cada célula está envuelta por una membrana plasmática que la protege y separa del medio ambiente externo que la rodea. La membrana plasmática regula el paso de materiales entre la célula y su entorno. Las células tienen moléculas especializadas que contienen instrucciones ge- néticas y transmiten información genética. En la mayoría de las células, las instrucciones genéticas están codificadas en el ácido desoxirribonu- cleico, conocido simplemente como ADN. Las células normalmente tienen estructuras internas llamadas orgánulos u organelos que están especializados para realizar funciones específicas. Fundamentalmente hay dos tipos diferentes de células: procariotas y eucariotas. Las células procariotas son exclusivas de las bacterias y organismos microscópicos llamados arqueas. Todos los otros organis- mos se caracterizan por sus células eucariotas. En general estas células contienen diversos orgánulos delimitados por membranas, incluyendo un núcleo , que alberga el ADN. Las células procariotas son estructural- mente más simples, no tienen un núcleo ni otros orgánulos delimitados por membranas.
Los organismos crecen y se desarrollan
El crecimiento biológico implica un aumento en el tamaño de las célu- las individuales de un organismo, en el número de células, o en ambos. El crecimiento puede ser uniforme en las diversas partes de un organismo, o puede ser mayor en algunas partes que en otras, haciendo que las pro- porciones del cuerpo cambien a medida que se produce el crecimiento. Algunos organismos, por ejemplo la mayoría de los árboles, continúan cre- ciendo durante toda su vida. Muchos animales tienen un período de creci- miento definido que termina cuando se alcanza el tamaño característico de adulto. Un aspecto interesante del proceso de crecimiento es que cada parte del organismo sigue funcionando normalmente a medida que crece. Los organismos vivos se desarrollan conforme crecen. El desarro- llo incluye todos los cambios que tienen lugar durante la vida de los organismos. Al igual que muchos otros organismos, cada ser humano comienza su vida como un huevo fertilizado, que crece y se desarrolla. Las estructuras y la forma del cuerpo que se desarrollan están delicada- mente adaptadas a las funciones que el organismo debe realizar.
Los organismos regulan sus procesos metabólicos
Dentro de todos los organismos, se realizan reacciones químicas y trans- formaciones de energía que son esenciales para la nutrición, el creci- miento y la reparación de las células, y la conversión de energía en formas útiles. La suma de todas las actividades químicas del organismo es su metabolismo. Los procesos metabólicos ocurren de manera continua en todos los organismos, y deben ser cuidadosamente regulados para mantener la homeostasis , un ambiente interno adecuado y equilibrado. Cuando se ha elaborado una cantidad suficiente de un producto celular, se debe disminuir o suspender su producción. Cuando se requiere una sustancia en particular, se deben activar los procesos celulares que la producen. Es- tos mecanismos homeostáticos son sistemas de control de autorregulación que son muy sensibles y eficientes.
FIGURA 1-1 Formas de vida unicelulares y multicelulares
(a) Los organismos unicelulares constan de una compleja organización de la célula que realiza todas las funciones esenciales para la vida. Los ciliados como este Paramecium , se mueven batiendo sus cilios de aspecto piloso.
250 μm
Mike Abbey/Visuals Unlimited, Inc.
(b) Los organismos multicelulares, como este búfalo africano ( Syncerus caffer ) y la hierba que pastan, pueden consistir en miles de millones de células especializadas para realizar funciones específicas.
© Andre Valadao/Shutterstock
4 Capítulo 1
Los organismos responden a estímulos
Todas las formas de vida responden a estímulos , a los cambios físicos o químicos en su ambiente interno o externo. Los estímulos que provocan una respuesta en la mayoría de los organismos son los cambios en el co- lor, intensidad o dirección de la luz; cambios de temperatura, presión, o el sonido; y cambios en la composición química del suelo, del aire o del agua circundante. Responder a estímulos implica movimiento, aunque no siempre locomoción (moverse de un lugar a otro). En los organismos simples, el individuo entero puede ser sensible a los estímulos. Ciertos organismos unicelulares, por ejemplo, responden a la luz brillante retirándose. En algunos organismos, la locomoción se logra mediante la lenta formación de prolongaciones o seudópodos de la célula, el proceso de movimiento ameboide. Otros organismos se mueven batiendo las diminutas extensiones pilosas de la célula llamadas cilios o de estructuras más grandes conocidas como flagelos ( FIGURA 1-2 ). Algu- nas bacterias se mueven haciendo rotar sus flagelos. La mayoría de los animales se mueven de forma muy evidente. Se menean, gatean, nadan, corren o vuelan debido a la contracción de sus músculos. Las esponjas, corales y ostras tienen un nado libre en sus esta- dios larvarios, pero como adultos la mayoría son sésiles , lo que significa que no se pueden mover de un lugar a otro. De hecho, pueden perma- necer firmemente unidos a una superficie, tal como el fondo del mar o una roca. Muchos organismos sésiles tienen cilios o flagelos que baten rítmicamente, llevándoles alimentos y oxígeno del agua circundante. Los animales complejos, como los saltamontes, lagartos, y los seres hu- manos, tienen células altamente especializadas que responden a tipos específicos de estímulos. Por ejemplo, las células de la retina del ojo de los vertebrados responden a la luz. Aunque las respuestas pueden no ser tan obvias como las de los ani- males, las plantas responden a la luz, a la gravedad, al agua, al tacto, y otros estímulos. Por ejemplo, todas las plantas orientan sus hojas hacia el Sol y crecen hacia la fuente de luz. Mu- chas de las respuestas de las plantas im- plican diferentes tasas de crecimiento de varias partes del cuerpo de la planta. Algunas plantas, como la Venus atrapa- moscas de los pantanos de Carolina, son muy sensibles al tacto y capturan insectos ( FIGURA 1-3 ). Sus hojas están articuladas a lo largo de la nervadura, y tienen un olor que atrae a los insectos. Los pelos se activan sobre la superficie de la hoja al detectar la llegada de un in- secto y estimulan a la hoja para que se doble. Cuando se unen los bordes, se en- trelazan, impidiendo el escape de los insectos. Enseguida la hoja segrega en- zimas que matan y digieren al insecto. La Venus atrapamoscas por lo general crece en suelo deficiente de nitrógeno. La planta obtiene parte del nitróge- no necesario para su crecimiento de los insectos que se “come”.
Los organismos se reproducen
Hace tiempo, la gente pensaba que los gusanos surgían de forma espontánea a partir de la crin del caballo en una
1 μm
Flagelos
A. B. Dowsett/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.
FIGURA 1-2 Movimiento biológico Estas bacterias ( Helicobacter pylori ), equipadas con flagelos para su loco- moción, se han relacionado con las úlceras de estómago. La fotografía fue tomada con un microscopio electrónico de barrido. Las bacterias no son realmente de color rojo y azul. Su color se ha mejorado artificialmente.
(a) Los pelos en la superficie de las hojas de la Venus atrapamoscas ( Dionaea muscipula ) detectan el toque de un insecto, y la hoja responde doblándose.
© Gemsbok/Dreamstime (b) Los bordes de la hoja se juntan y entrelazan, para impedir que la mosca se escape. Entonces la hoja segrega enzimas que matan y digieren el insecto.
David M. Dennis/Tom Stack & Associates
FIGURA 1-3 Plantas que responden a estímulos
6 Capítulo 1
que viven en la misma área geográfica, al mismo tiempo constituyen una población. Las poblaciones de diversos tipos de organismos que habitan en un área particular e interactúan entre sí forman una comu- nidad. Una comunidad puede constar de cientos de diferentes tipos de organismos. Una comunidad, junto con su entorno inerte es un ecosistema. Un ecosistema puede ser tan pequeño como un estanque (o incluso un charco) o tan grande como las grandes planicies de América del Norte o la tundra ártica. Todos los ecosistemas de la Tierra en conjunto se co- nocen como la biosfera , que incluye a toda la Tierra habitada por or- ganismos vivos, la atmósfera, la hidrosfera (agua en cualquier forma), y la litosfera (corteza de la Tierra). El estudio de cómo los organismos se relacionan entre sí y con su entorno físico se llama ecología (derivada del griego oikos , que significa “casa”).
Repaso
■ ¿Cuáles son los niveles de organización dentro de un organismo? ■ ¿Cuáles son los niveles de organización ecológica?
1.4 TRANSFERENCIA DE INFORMACIÓN
■■ OBJETIVO DE APRENDIZAJE 4 Resumir la importancia de la transferencia de información dentro y entre los sistemas de vida, dando ejemplos específicos.
Un organismo hereda la información que necesita para crecer, desa- rrollarse, autorregularse metabólicamente, responder a los estímulos, y reproducirse. Cada organismo contiene también instrucciones preci- sas para elaborar las moléculas necesarias para la comunicación de sus células. La información que un organismo requiere para realizar estos procesos de la vida se codifica y se transmite en forma de sustancias quí- micas e impulsos eléctricos. Los organismos también deben comunicar información entre sí.
El ADN transmite información
de una generación a la siguiente
Los seres humanos procrean solamente bebés humanos, no jirafas o ro- sales. En los organismos que se reproducen sexualmente, cada descen- diente es una combinación de los rasgos de sus padres. En 1953, James Watson y Francis Crick trabajaron con la estructura del ADN, la molécu- la de gran tamaño que constituye los genes , que son las unidades de ma- terial hereditario ( FIGURA 1-7 ). Una molécula de ADN consiste de dos cadenas de átomos que se pliegan entre sí para formar una hélice. Como se describe en el capítulo 2, cada cadena se compone de una secuencia de subunidades químicas llamados nucleótidos. Hay cuatro tipos de nucleótidos en el ADN, y cada secuencia de tres nucleótidos es parte del código genético. El trabajo de Watson y Crick permitió entender este código gené- tico. La información codificada en las secuencias de nucleótidos en el ADN transmite la información genética de generación en generación. El código funciona algo así como un alfabeto. Los nucleótidos pueden “deletrear” una asombrosa variedad de instrucciones para la creación de organismos tan diversos como las bacterias, las ranas y los árboles secoya. El código genético es universal, es decir, prácticamente idén- tico en todos los organismos, un ejemplo dramático de la unidad de la vida.
Ya sea que se estudie un solo organismo o los seres vivos como un todo, se puede identificar una jerarquía de organización biológica ( FIGURA 1-6 ). En cualquier nivel, la estructura y la función están estrechamente relacionados. Una forma de estudiar un nivel en particular es observando sus componentes. Los biólogos pueden ampliar su punto de vista sobre las células con el estudio de los átomos y moléculas que la componen. Al aprendizaje sobre una estructura mediante el estudio de sus partes se le llama reduccionismo. Sin embargo, el todo es más que la suma de sus partes. Cada nivel tiene propiedades emergentes , características que no se encuentran en los niveles inferiores. Las poblaciones de organis- mos tienen propiedades emergentes tales como densidad de población, estructura de edad y tasas de natalidad y de mortalidad. Los individuos que conforman una población no tienen estas características. Considere también el cerebro humano. El cerebro está compuesto de millones de neuronas (células nerviosas). Sin embargo, se podrían estudiar todas es- tas neuronas individuales y no tener idea de las capacidades funcionales del cerebro. Sólo cuando las neuronas se conectan entre sí de manera precisa se hacen evidentes las propiedades emergentes, tales como la ca- pacidad para pensar, hacer juicios y la coordinación motora.
Los organismos presentan diferentes
niveles de organización
El nivel químico, el más básico de la organización biológica, incluye áto- mos y moléculas. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemen- to químico que conserva las propiedades características de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hierro es la cantidad más pequeña posible de hierro. Los átomos se combinan químicamente para formar moléculas. Dos átomos de hidrógeno se combinan con un átomo de oxígeno para formar una sola molécula de agua. Aunque se compone de dos tipos de átomos que son gases, el agua puede existir como líquido o sólido. Las propiedades del agua son muy diferentes de las de sus componentes hi- drógeno y oxígeno, este es un ejemplo de propiedades emergentes. A nivel celular, muchos tipos de átomos y moléculas se asocian en- tre sí para formar células. Sin embargo, una célula es mucho más que un montón de átomos y moléculas. Sus propiedades emergentes hacen de ésta la unidad básica estructural y funcional de la vida, el componente más simple de la materia viva que puede realizar todas las actividades necesarias para vivir. Durante la evolución de organismos multicelulares, las células se asociaron para formar tejidos. Por ejemplo, la mayoría de los animales tienen tejido muscular y tejido nervioso. Las plantas tienen epidermis, un tejido que sirve como una cubierta protectora, y tejidos vasculares que mueven los materiales a través del cuerpo de la planta. En la mayo- ría de los organismos complejos, los tejidos se organizan en estructu- ras funcionales llamadas órganos , tales como el corazón y el estómago en animales y las raíces y las hojas de las plantas. En los animales, cada grupo principal de funciones biológicas lo realiza un grupo coordinado de tejidos y órganos llamado sistema de órganos. Los sistemas circu- latorio y digestivo son ejemplos de sistemas de órganos. Funcionando en conjunto con gran precisión, los sistemas de órganos constituyen un complejo organismo multicelular. Una vez más, las propiedades emer- gentes son evidentes. Un organismo es mucho más que los sistemas de órganos que lo componen.
Se pueden identificar varios niveles
de organización ecológica
Los organismos interactúan para formar niveles aún más complejos de organización biológica. Todos los miembros de una misma especie
Una visión de la vida 7
Organismo Los sistemas de órganos trabajan juntos para el funcionamiento del organismo.
Sistema de órganos (por ejemplo, sistema esquelético) Los tejidos y órganos forman los sistemas de órganos.
Órgano (por ejemplo, los huesos) Los tejidos forman los órganos.
Tejido (por ejemplo, el tejido óseo) Las células se asocian para formar tejidos.
Nivel celular Los átomos y las moléculas forman el citoplasma y los orgánulos, como el núcleo y la mitocondria (el lugar de muchas transformaciones energéticas). Los orgánulos realizan diversas funciones de la célula. Nivel químico Los átomos se unen para formar moléculas. Las macromoléculas son grandes moléculas como las proteínas y el ADN.
Biosfera La Tierra y todas sus comunidades constituyen la biosfera.
Ecosistema Una comunidad junto con el medio ambiente inerte forma un ecosistema.
Comunidad Las poblaciones de diferentes especies que habitan la misma zona geográfica forman una comunidad.
Población Una población está formada por organismos de la misma Organismo especie.
Población
Comunidad
Ecosistema
Biosfera
Sistema de órganos
Órgano
Tejido
Célula
Orgánulo
Macromolécula
Molécula
Agua
Átomo de oxígeno
Células de los huesos
Núcleo
Átomos de hidrógeno
FIGURA 1-6 Animada La jerarquía de la organización biológica
Una visión de la vida 9
tener los nutrientes, la energía, el oxígeno y el dióxido de carbono. Hay un flujo unidireccional de energía a través de los ecosistemas. Los orga- nismos no pueden crear energía ni utilizarla con total eficiencia. Durante cada transacción de energía, se dispersa un poco de ella en el ambiente en forma de calor que ya no está disponible para el organismo ( FIGURA 1-9 ). Las plantas (donde se incluyen las algas) y algunas bacterias son productores, o autótrofos , porque producen su propio alimento a partir
su trabajo, incluyendo la síntesis de materiales necesarios para hacer una nueva célula. Prácticamente todas las células realizan respiración celular. Al igual que los organismos individuales, los ecosistemas también dependen de un aporte de energía continuo. Un ecosistema autosufi- ciente contiene tres tipos de organismos: productores, consumidores y descomponedores, e incluye un entorno físico en el que puedan sobre- vivir. Estos organismos dependen unos de otros y del ambiente, para ob-
La mayor parte de la energía para la vida proviene de la energía luminosa del Sol, que se capta durante la fotosíntesis, parte de esta energía se almacena en los enlaces químicos de la glucosa y otros nutrientes.
Síntesis de moléculas y estructuras necesarias
La fotosíntesis capta energía de la luz
Dióxido de carbono y agua
La energía almacenada en la glucosa y otros nutrientes
Oxígeno
Oxígeno
La respiración celular libera la energía almacenada en las moléculas de glucosa
Otras actividades de la vida r)PNFPTUBTJT r$SFDJNJFOUPZEFTBSSPMMP r3FQSPEVDDJÓO r.PWJNJFOUPEFNBUFSJBMFT dentro y fuera de las células r.PWJNJFOUPEFMDVFSQP
Energía luminosa
Energía
FIGURA 1-8 Flujo de energía dentro y entre los organismos Las algas y ciertas células vegetales realizan la fotosíntesis, un proceso que utiliza energía del Sol para producir glucosa a partir de dióxido de carbono y agua. La energía se almacena en los enlaces químicos de la glucosa y de otros nutrientes producidos a partir de la glucosa. Mediante
el proceso de la respiración celular, las células de todos los organismos, incluyendo algas y células vegetales, desdoblan la glucosa y otros nu- trientes. La energía liberada se puede utilizar con el fin de producir las moléculas necesarias y el combustible para otras actividades de la vida.
PUNTO CLAVE
10 Capítulo 1
Los animales son consumidores o heterótrofos , es decir, organis- mos que dependen de los productores para obtener su alimento, energía y oxígeno. Los consumidores primarios se comen a los productores, mientras que los consumidores secundarios se comen a los consumi- dores primarios. Los consumidores obtienen energía rompiendo las moléculas de azúcares y otros alimentos producidos originalmente du- rante la fotosíntesis. Cuando los enlaces químicos se rompen durante el proceso de la respiración celular, la energía almacenada se hace accesible para los procesos vitales:
glucosa + oxígeno ¡ dióxido de carbono + agua + energía
Los consumidores contribuyen al equilibrio del ecosistema. Por ejem- plo, los consumidores producen el dióxido de carbono requerido por los productores. (Observe que los productores también realizan respiración celular). El metabolismo de los consumidores y los productores ayuda a mantener la mezcla de los gases en la atmósfera para mantener la vida. La mayoría de las bacterias y los hongos son descomponedores , heterótrofos que obtienen nutrientes al descomponer material orgá- nico inerte como los desechos, hojas secas y ramas, y los cuerpos de los organismos muertos. En el proceso de obtención de energía, los des- componedores hacen que los componentes de estos materiales estén disponibles para su reutilización. Si los descomponedores no existieran los nutrientes permanecerían encerrados en los desechos y cadáveres, y el suministro de los elementos requeridos por los sistemas vivos no tardaría en agotarse.
Repaso
■ ¿Qué componentes se podrían incluir en un ecosistema forestal? ■ ¿De qué manera los consumidores dependen de los productores?, ¿de los descomponedores? Incluya los aspectos de la energía en su respuesta.
1.6 EVOLUCIÓN: EL CONCEPTO BÁSICO UNIFICADOR EN BIOLOGÍA
■■ OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 6 Demostrar el uso del sistema de nomenclatura binominal mediante ejemplos específicos para clasificar un organismo (como un ser humano) en su dominio, reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. 7 Identificar los tres dominios y los reinos de los organismos vivos, y dar ejemplos de organismos asignados a cada grupo. 8 Describir brevemente la teoría científica de la evolución y explicar por qué es el concepto principal de unificación en la biología. 9 Aplicar la teoría de la selección natural para cualquier caso de adapta- ción dada y sugerir una explicación lógica de cómo esta adaptación pudo evolucionar.
La evolución es el proceso por el cual las poblaciones de organismos cambian con el tiempo. La teoría evolutiva se ha convertido en el con- cepto unificador más importante de la biología. Como veremos, la evo- lución consiste en pasar los genes de rasgos nuevos de una generación a otra, dando lugar a diferencias en las poblaciones. El punto de vista evolutivo es importante en cada campo especializado dentro de la bio- logía. Los biólogos tratan de entender la estructura, función y compor- tamiento de los organismos y sus interacciones con otros, considerando estos aspectos a la luz de un largo y continuo proceso de evolución. Aun- que la evolución se analizará en profundidad en los capítulos 18 a 22,
de materias primas simples. La mayoría de estos organismos utilizan la luz del Sol como fuente de energía para realizar la fotosíntesis , que es el proceso mediante el cual los productores sintetizan moléculas complejas tales como glucosa (un azúcar) a partir del dióxido de carbono y agua. La energía luminosa se transforma en energía química, que se almacena en los enlaces químicos de las moléculas de los alimentos producidos. El oxígeno, que es requerido por las células de la mayoría de los organismos, incluyendo las células vegetales, es un subproducto de la fotosíntesis:
dióxido de carbono + agua + energía de la luz (^) ¡ glucosa + oxígeno
Descomponedores (bacterias, hongos)
Productor (planta)
Consumidor secundario (petirrojo)
Alimento
Calor
Calor
Calor
Calor
Hojarasca, desechos
Cuerpos muertos
Suelo
Energía de la luz
Consumidor primario (oruga)
FIGURA 1-9 Animada Flujo de energía a través de la biosfera El ingreso continuo de energía solar sostiene el funcionamiento de la biosfera. Durante la fotosíntesis, los productores utilizan la energía lumi- nosa del Sol para formar moléculas complejas de dióxido de carbono y agua. Los consumidores primarios, como la oruga que se muestra aquí, obtienen energía, nutrientes y otros materiales necesarios cuando se comen a los productores. Los consumidores secundarios, como el petirrojo, obtienen energía, nutrientes y otros materiales requeridos cuando ellos comen a los consumidores primarios que a su vez se han comido a los productores. Los descomponedores obtienen su energía y nutrientes al descomponer los desechos y materia orgánica muerta. Durante cada transacción de energía, un poco de energía se pierde en los sistemas biológicos, dispersándose en el ambiente como calor.
Los biólogos utilizan un esquema de clasificación jerárquica, con una serie de categorías taxonómicas desde especies a dominio, cada categoría es más general y más amplia que la de abajo.
Animalia
REINO
FILO
CLASE
ORDEN
FAMILIA
GÉNERO
ESPECIE
Pan
Chordata
Pan troglodytes
Pongidae
Primates
Mammalia
DOMINIO Eukarya
FIGURA 1-10 Clasificación del chimpancé ( Pan troglodytes )
PUNTO CLAVE
Una visión de la vida 13
los dominios procarióticos: el reino Archaea corresponde al dominio Archaea, y el reino Bacteria corresponde al dominio Bacteria. Los otros reinos y grupos se asignan al dominio Eukarya. Los protistas (por ejemplo, los hongos mucilaginosos, las amebas, y los ciliados) son unicelulares, coloniales u organismos multicelulares simples que tienen una organización de células eucariotas. El mundo protista , del griego “el primero”, refleja la idea de que los protistas fueron los primeros eucariotas en evolucionar. Los protistas son principalmente
Los resultados de Woese mostraron que hay dos grupos distintos de los procariotas. Él estableció el nivel de dominio de la taxonomía y asignó los procariotas en dos dominios: Bacteria y Archaea. Los euca- riontes , organismos con células eucariotas, se clasifican en el dominio Eukarya. El trabajo de Woese fue ampliamente aceptado a mediados de la década de 1990. En el sistema de clasifi cación utilizado en este libro, cada organismo se asigna a un dominio y un reino o “supergrupo”. Dos reinos conforman
Este cladograma muestra las relaciones evolutivas entre los tres dominios y entre los principales grupos de organismos que pertenecen a estos dominios.
Dominio Bacteria Dominio Archaea Dominio Eukarya
1 μm 5 μm 10 μm
Bacterias Arqueas Protistas Plantas Animales Hongos
Ancestro común de todos los organismos
CNRI/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. R. Robinson/Visuals Unlimited, Inc. David M. Phillips/Visuals Unl. A. S. Floro/Shutterstock McMurray Photography Laurie Campbell/Getty Images
(a) La bacteria en forma de bastón Bacillus anthracis , miembro del dominio Bacteria, causa el ántrax, una enfermedad de las vacas y ovejas que también puede afectar a los humanos.
(b) Estas arqueas ( Methanosarcina mazei ), miembros del dominio Archaea, producen metano.
(c) Estos protozoarios unicelulares ( Tetrahymena ) se clasifican en uno de los grupos protistas.
(d) Las plantas incluyen muchas formas bellas y diversas, tales como la orquídea zapatito de dama ( Phragmipedium caricinum ).
(e) Entre los animales más fieros, los leones ( Panthera leo ) se encuentran entre los más sociables. Son los de mayor tamaño en el grupo de los felinos y viven en manadas (grupos).
(f) Los hongos como la mosca agárica ( Amanita muscaria ), se clasifican en el reino Hongos (Fungi). La amanita muscaria es venenosa, causa delirio, y excesiva sudoración cuando se ingiere.
FIGURA 1-11 Animada Un panorama de los tres dominios de vida Los biólogos clasifican los organismos en los tres dominios, varios reinos y otros grupos taxonómicos. Los protistas no forman un clado, y ya no se consideran un reino. Se asignan en cinco “supergrupos” (que no se incluyen aquí).
PUNTO CLAVE
Una visión de la vida 15
naron ( FIGURA 1-13 , vea también el capítulo 20 y la figura 20-18). Algunos mieleros ahora tienen picos largos y curvos, adaptados para alimentarse del néctar de las flores tubulares. Otros tienen picos cortos y gruesos para alimentarse de insectos, y otros se han adaptado para comer semillas.
Repaso
■ ¿Qué es el sistema de nomenclatura binominal? ■ Los biólogos describen el árbol de la vida como un trabajo en progreso. ¿Por qué se necesita modificar este árbol? ■ ¿Cómo puede explicar las afiladas garras y dientes de tigres en términos de selección natural?
1.7 EL PROCESO DE LA CIENCIA
■■ OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 10 Diseñar una investigación para probar una hipótesis dada, utilizando el procedimiento y la terminología del método científico. 11 Comparar los métodos del reduccionismo y de los sistemas para la inves- tigación biológica.
La biología es una ciencia. La palabra ciencia proviene del latín y significa “saber”. La ciencia es una forma de pensar y un método para investigar el mundo natural de una manera sistemática. Se ponen a prueba las ideas, y con base en los resultados, se modifican o rechazan estas ideas. El pro- ceso de la ciencia requiere investigación, es dinámico, y a menudo crea controversia. Las observaciones formuladas, el tipo de preguntas, y el diseño de experimentos dependen de la creatividad del propio cientí- fico. Sin embargo, la ciencia se ve influida por los contextos culturales, sociales, históricos y tecnológicos, así el proceso cambia con el tiempo. El método científico consiste en una serie de pasos ordenados. Utilizando el método científico, los científicos realizan observaciones cuidadosas, hacen preguntas importantes, y generan hipótesis , que son explicaciones tentativas. Usando sus hipótesis, los científicos hacen pre- dicciones que pueden probarse mediante observaciones adicionales o por la realización de experimentos. Reúnen datos , la información que pueden analizar, utilizando con frecuencia computadoras y sofisticados métodos estadísticos. Interpretan los resultados de sus experimentos y
individuos mejor adaptados de una población, dejan en promedio más descendencia que otros menos adaptados. Debido a esta repro- ducción diferencial , una mayor proporción de la población se adapta a las condiciones ambientales prevalecientes y a los cambios. El am- biente selecciona a los organismos mejor adaptados para la supervi- vencia. Observe que la adaptación implica cambios en las poblaciones, más que en los organismos individuales. Darwin no sabía nada de ADN ni comprendía los mecanismos de la herencia. Los científicos ahora entienden que la mayoría de las varia- ciones entre los individuos son el resultado de las diferentes variedades de genes que codifican cada característica. La principal fuente de estas variaciones son mutaciones aleatorias, cambios químicos o físicos en el ADN que persisten y se pueden heredar. Las mutaciones modifican los genes y con este proceso proporcionan la materia prima para la evolución.
Las poblaciones evolucionan como resultado de
presiones selectivas de los cambios en su entorno
Todos los genes presentes en una población constituyen su acervo ge- nético. En virtud de su acervo genético, una población es una reserva de variación genética. La selección natural actúa sobre los individuos de una población. La selección favorece a los individuos con genes de caracterís- ticas específicas que les permitan responder eficazmente a las presiones ejercidas por el ambiente. Estos organismos tienen más probabilidades de sobrevivir y reproducirse. Mientras que los organismos exitosos trans- miten su componente genético para su supervivencia, sus rasgos son ampliamente distribuidos en la población. Con el tiempo, conforme las poblaciones sigan cambiando (y conforme el ambiente mismo cambia, trayendo diferentes presiones selectivas), los miembros de la población se adaptan mejor a su entorno y se parecen menos a sus antepasados. Conforme una población se adapta a las presiones ambientales y explota nuevas oportunidades para encontrar alimentos, manteniéndose segura, y evitando a los depredadores, la población se diversifica y las nue- vas especies pueden evolucionar. Los mieleros hawaianos, un grupo de aves relacionadas, son un buen ejemplo. Cuando los antepasados de los mieleros hawaianos llegaron por primera vez, había algunas otras pocas aves presentes, así que había muy poca competencia. La variación genética entre los mieleros permitió a algunos mudarse a diferentes zonas de ali- mento, y con el tiempo, las especies con distintos tipos de picos evolucio-
(a) El pico de este macho ‘Akiapola’au ( Hemig- nathus munroi ) está adaptado para la extracción de larvas de insectos de la corteza. La mandíbula inferior (quijada) se utiliza para picotear y quitar la corteza, mientras que el maxilar (quijada superior) y la lengua se utilizan para agarrar la presa.
(b) ‘I’iwi ( Vestiaria cocciniea ) sobre una flor ‘ohi’a. El pico está adaptado para alimentarse del néctar de flores tubulares.
(c) Palila ( Loxiodes bailleui ) en el árbol de Mamane. Este pinzón con pico mielero se alimenta de las semillas inmaduras de las vainas del árbol Mamane. También se alimenta de insectos, bayas y hojas jóvenes.
Jack Jeffrey, Inc. Jack Jeffrey, Inc. Jack Jeffrey, Inc.
FIGURA 1-13 Adaptación y diversificación en los mieleros hawaianos Las tres especies que se muestran aquí están en peligro de extinción, principalmente porque sus hábitats han sido destruidos por los seres humanos o por especies introducidas por ellos.
16 Capítulo 1
sos para examinar un problema. La ciencia busca dar un conocimiento preciso acerca del mundo natural, lo sobrenatural no es accesible a los métodos científicos de investigación. La ciencia no es un sustituto de la filosofía, la religión o el arte. Ser un científico no impide participar en otros campos del quehacer humano, así como ser un artista no impide que uno practique la ciencia.
El razonamiento deductivo comienza con los principios generales Los científicos utilizan dos tipos de procesos de pensamiento sistemá- tico: deducción e inducción. En el razonamiento deductivo , se provee de información en forma de premisas , y se generan conclusiones con base en esa información. La deducción obtiene a partir de principios genera- les, conclusiones específicas. Por ejemplo, si se acepta la premisa de que todos los pájaros tienen alas y la segunda premisa que los gorriones son aves, se puede concluir deductivamente que los gorriones tienen alas. La deducción nos ayuda a descubrir las relaciones entre los hechos conoci- dos. Un hecho es información o conocimiento basado en la evidencia.
El razonamiento inductivo inicia con observaciones específicas El razonamiento inductivo es lo opuesto a la deducción. Se comienza con observaciones específicas y se da una conclusión o se descubre un principio general. Por ejemplo, se sabe que los gorriones tienen alas, pueden volar, y son aves. También se sabe que los petirrojos, las águilas, las palomas y los halcones tienen alas, pueden volar, y son aves. Se po- dría inducir que todos los pájaros tienen alas y vuelan. De este modo, se puede utilizar el método inductivo para organizar los datos en bruto en categorías manejables y responder a esta pregunta: ¿Qué tienen todos estos hechos en común? Una debilidad del razonamiento inductivo es que en las conclusio- nes se generalizan los hechos de todos los ejemplos posibles. Cuando se formula el principio general, se parte de muchos ejemplos observados a todos los ejemplos posibles. Esto se conoce como un salto inductivo. Sin él, no podríamos llegar a generalizaciones. Sin embargo, debemos ser sensibles a las excepciones y la posibilidad de que la conclusión no sea válida. Por ejemplo, el pájaro kiwi de Nueva Zelanda no tiene alas funcionales ( FIGURA 1-15 ). No podemos nunca demostrar de ma- nera concluyente una generalización universal. Las generalizaciones en las conclusiones inductivas proceden de la visión creativa de la mente humana, y la creatividad, por admirable que sea, no es infalible.
Los científicos hacen observaciones cuidadosas
y preguntas críticas
En 1928, el bacteriólogo británico Alexander Fleming observó que un moho azul había invadido uno de sus cultivos bacterianos. Casi lo des- carta, pero luego se dio cuenta de que el área contaminada por el moho estaba rodeado por una zona donde las colonias de bacterias no crecían bien. Estas bacterias eran organismos del género Staphylococcus que pueden causar infecciones de la piel y furúnculos. ¡Todo lo que podía eliminarlas era interesante! Fleming conservó el moho, una variedad de Penicillium (moho azul del pan), y aisló el antibiótico penicilina a partir de éste. Sin embargo, tuvo dificultad para cultivarlo. Aunque Fleming reconoció el beneficio potencial práctico de la penicilina, no generó las técnicas químicas necesarias para purificarla, y pasaron más de diez años antes de que el medicamento tuviera un uso signifi cativo. En 1939, sir Howard Florey y Ernst Boris Chain desarrollaron pro- cedimientos químicos para extraer y producir el agente activo del moho
obtienen conclusiones a partir de éstos. Como se verá, los científicos plantean muchas hipótesis que no se pueden demostrar mediante el uso de todos los pasos del método científi co de una manera estricta. Los científicos utilizan el método científico como un marco general o guía. Los biólogos exploran todos los aspectos imaginables desde la vida de las estructuras de los virus y bacterias a las interacciones de las comunida- des de nuestra biosfera. Algunos biólogos trabajan principalmente en los laboratorios, y otros hacen su trabajo en el campo ( FIGURA 1-14 ). Quizá decida convertirse en un biólogo investigador y ayudar a desentrañar las complejidades del cerebro humano, descubrir nuevas hormonas que ha- gan florecer a las plantas, identificar nuevas especies de animales o bacte- rias, o desarrollar nuevas estrategias con células madre para tratar el cáncer, el SIDA, o enfermedades del corazón. Las aplicaciones de investigaciones básicas de biología han proporcionado la tecnología para trasplantar riñón, hígado, y corazón; manipular genes; tratar muchas enfermedades, y au- mentar la producción alimentaria mundial. La biología ha sido una fuerza poderosa en proporcionar la calidad de vida que a la mayoría de nosotros nos gusta. Puede elegir entrar en un campo aplicado de la biología, como la ciencia ambiental, odontología, medicina, farmacología o medicina ve- terinaria. Muchas carreras interesantes en ciencias biológicas se analizan en la sección de carreras en nuestro sitio Web.
La ciencia requiere de procesos
de pensamiento sistemáticos
La ciencia es sistemática. Los científicos suelen organizar y con frecuen- cia cuantifican el conocimiento, haciéndolo realmente accesible a todos los que desean basarse en sus fundamentos. De esta manera, la ciencia es tanto un esfuerzo personal como social. La ciencia no es un misterio. Cualquiera que entienda sus reglas y procedimientos puede asumir sus retos. Lo que distingue a la ciencia es su insistencia en métodos riguro-
FIGURA 1-14 El trabajo del biólogo El estudio biológico del dosel del bosque tropical en Costa Rica es parte de un esfuerzo internacional para estudiar y conservar las selvas tropicales. Los investigadores estudian las interacciones de los organismos y los efec- tos de las actividades humanas sobre los bosques tropicales.
Mark Moffett/Minden Pictures
