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Capítulo 5: EL AMBIENTE VIVO

DIVERSIDAD DE LA VIDA

HERENCIA

CÉLULAS

INTERDEPENDENCIA DE LA VIDA

FLUJO DE MATERIA Y ENERGÍA

EVOLUCIÓN DE LA VIDA


Capítulo 5: EL AMBIENTE VIVO

La gente se cuestiona mucho acerca de los seres vivos: cuántas especies diferentes hay, cómo son, dónde habitan, cómo se interrelacionan y cómo se comportan. Los científicos tratan de responder éstas y muchas otras preguntas acerca de los organismos que pueblan la Tierra. Particularmente, intentan desarrollar conceptos, principios y teorías que permitan a cualquier persona comprender mejor el ambiente de los seres vivos. Los organismos vivos están hechos de los mismos componentes que cualquier otra materia, interviene el mismo tipo de transformaciones de la energía y se mueven utilizando los mismos tipos básicos de fuerzas. Así, todos los principios físicos que se comentaron en el capítulo 4 se aplican a la vida de la misma forma que a las estrellas, las gotas de lluvia y las televisiones. Pero los organismos vivos también poseen características que se pueden entender mejor a través de la aplicación de otros principios.

Este capítulo ofrece recomendaciones sobre el conocimiento básico de cómo funcionan e interactúan los organismos vivos entre sí y con su ambiente; se centra en seis puntos principales: 1. la diversidad de la vida, reflejada en las características biológicas de los organismos del planeta; 2. la transferencia de características hereditarias de una generación a la siguiente; 3. la estructura y función celulares, los bloques de construcción básicos de todos los organismos; 4. la interdependencia de todos los organismos y su medio; 5. El flujo de materia y energía a través de ciclos de vida a gran escala; y 6. cómo la evolución biológica explica la similitud y la diversidad de la vida. Top button

 

DIVERSIDAD DE LA VIDA

Existen millones de diferentes tipos de organismos individuales que habitan la Tierra al mismo tiempo algunos son muy similares entre sí; otros, muy distintos. Los biólogos los clasifican dentro de una jerarquía de grupos y subgrupos con base en semejanzas y diferencias de su estructura y comportamiento. Una de las distinciones más generales entre los conjuntos de órganos se da entre las plantas, las cuales toman directamente su energía del Sol, y los animales, que consumen inicialmente los alimentos ricos en energía sintetizados por las plantas. Pero no todos los organismos están claramente definidos. Por ejemplo, existen algunos unicelulares sin núcleos organizados (bacterias), que se clasifican como un grupo distinto.

Los animales y las plantas tienen una gran variedad de formas corporales, con diferentes estructuras generales y disposiciones de partes internas para realizar las operaciones básicas de preparar o encontrar alimentos, obtener energía y sustancias de éstos, sintetizar nuevos materiales y reproducirse. Cuando los científicos clasifican los organismos, consideran primero los detalles anatómicos y después la conducta o el aspecto general. Por ejemplo, debido a rasgos como las glándulas secretoras de leche y la estructura del cerebro, las ballenas y los murciélagos se clasificanjuntos al ser más parecidos entre sí que las ballenas con los peces o los murciélagos con los pájaros. En diferentes grados de afinidad, los perros se clasifican con los peces por la columna vertebral, con las vacas por el pelo y con los gatos por ser carnívoros.
 
Para organismos que se reproducen sexualmente, una especie abarca todos aquéllos que pueden aparearse entre sí para producir una descendencia fértil. Sin embargo, la definición de especie no es precisa; en los limites puede resultar difícil decidir sobre la clasificación exacta de un organismo en particular. En efecto, los sistemas de clasificación no son parte de la naturaleza. Más bien son marcos creados por biólogos para describir la enorme diversidad de organismos, sugerir relaciones entre éstos y formular preguntas de investigación.

La variedad de las formas de vida terrestre se evidencia no sólo en el estudio de las semejanzas y diferencias anatómicas y conductuales entre los organismos, sino también en el estudio de similitudes y diferencias entre sus moléculas. Las moléculas más complejas que se sintetizan en los organismos vivos son cadenas de estas mismas pero más pequeñas. Los diversos tipos de pequeñas moléculas son casi idénticos en todas las formas de vida; pero las secuencias especificas de los componentes que constituyen las muy complejas son características de cada especie. Por ejemplo, las moléculas de ADN son cadenas largas que unen sólo cuatro tipos de moléculas más pequeñas, cuya secuencia exacta codifica la información genética. La proximidad o lejanía de la relación entre organismos puede inferirse a partir del grado en que sus secuencias de ADN son semejantes. La afinidad de los organismos deducida de la similitud en su estructura molecular casi concuerda con la clasificación basada en semejanzas anatómicas.

La preservación de la diversidad de las especies es importante para la humanidad, ya que depende de dos cadenas alimentarias para obtener la energía y los materiales necesarios para la vida: Una principia con plantas y algas microscópicas del océano, e incluye a los animales que se alimentan de éstas y a los animales que se alimentan de esos animales. La otra comienza con plantas terrestres e incluye animales que se alimentan de éstas, y así sucesivamente. Las complicadas interdependencias entre las especies sirven para estabilizar estas cadenas alimentarias. Perturbaciones menores en un sitio particular tienden a originar cambios que con el tiempo restauran el sistema; pero los trastornos graves de las poblaciones vivas o sus ambientes pueden resultar en cambios irreversibles en las cadenas alimentarias. Mantener la diversidad aumenta la probabilidad de que algunas variedades fortalezcan su naturaleza para sobrevivir en condiciones cambiantes. Top button

 

HERENCIA

Es muy común observar que la descendencia se parece mucho a los padres pero siempre presenta alguna variante: los hijos difieren en algo de los padres y de entre uno y otro de ellos. Por generaciones, estas diferencias se van acumulando, de tal manera que los organismos pueden ser muy distintos en comportamiento y aspecto de sus antepasados remotos. Por ejemplo, los seres humanos han criado animales domésticos y cultivado plantas para lograr en ellos las características más adecuadas; los resultados son modernas variedades de perros, gatos, ganado, aves, frutas y cereales, que son visiblemente distintos de sus ancestros. También se observan cambios en granos, por ejemplo que son capaces de producir nuevas especies. De hecho, algunas ramas de descendientes de la misma especie progenitora son tan diferentes de otras que ya no se pueden cruzar entre sí.

Las instrucciones para el desarrollo se transmiten de padres a hijos en miles de genes discretos, cada uno de los cuales, se conoce ahora, es un segmento de la molécula de ADN. La descendencia de organismos asexuales (clonas) heredan todos los genes de sus padres. En la reproducción sexual de animales y plantas, se fusionan una célula especializada de una hembra y una de un macho. Cada una de estas células sexuales contienen una mitad impredecible de la información genética del progenitor. Durante la fecundación, se fusionan una célula específica masculina y una femenina, de lo cual se forma una célula con una serie completa de información genética apareada, una combinación de la mitad de la serie de cada progenitor. Conforme la célula fecundada se multiplica para formar un embrión, y finalmente un individuo maduro, o una semilla, se replican las series combinadas en cada nueva célula.

La clasificación y combinación de genes en la reproducción sexual da por resultado una gran variedad de mezclas genéticas en la descendencia de dos progenitores. Existen millones de posibles combinaciones diferentes de genes en la mitad asignada a cada célula sexual separada, y también hay millones de posibles mezclas de cada una de las células sexuales especificas masculinas y femeninas.

Sin embargo, las nuevas combinaciones de genes no son la única fuente de variación en las características de los organismos. Aunque las instrucciones genéticas pueden trasmitirse prácticamente sin cambios por miles de generaciones, a veces llega a alterarse algo de la información en el ADN de una célula. Pueden ocurrir de manera espontánea supresiones, inserciones o sustituciones de segmentos de ADN por errores aleatorios en el proceso de copiado, o bien, orginarse por exposición a sustancias químicas o radiaciones. Si un gen que ha sufrido mutación se encuentra en la célula sexual de un organismo, las copias de éste se trasmiten a la descendencia, llegando a ser parte de todas sus células y tal vez dándole a los hijos características nuevas o modificadas. Algunas de estas características pueden hacer que aumente la capacidad de los organismos para crecer y reproducirse, en tanto que otras pueden reducirla, y otras más pueden no causar ningún efecto apreciable. Top button

 

CÉLULAS

Todas las formas de vida que se autorreplican están compuestas de células desde las bacterias unicelulares hasta los elefantes, con sus muchos millones de células. Aunque unas cuantas células gigantes, como los huevos de gallina, se pueden ver a simple vista, la mayor parte de ellas son microscópicas. Muchas de las funciones básicas de los organismos se llevan a cabo en el nivel celular: síntesis proteínica, extracción de energía a partir de los nutrientes y replicación, entre otras.

Todas las células vivas tienen tipos similares de moléculas complejas que intervienen en las actividades básicas de la vida. Estas moléculas interactúan en una mezcla, de unos dos tercios de agua, limitada por una membrana que controla lo que entra y sale. En células más complejas, algunos de los tipos comunes de moléculas están organizados en estructuras que realizan las mismas funciones básicas de manera más eficiente. En particular, un núcleo encierra al ADN y un esqueleto proteínico ayuda a organizar las operaciones. Además de las funciones celulares básicas comunes a todas las células, la mayor parte de las células en organismos pluricelulares realizan algunas funciones especiales que otras no efectúan. Por ejemplo, las células glandulares secretan hormonas, las musculares se contraen y las nerviosas conducen señales eléctricas.

Las moléculas de las células están compuestas por átomos de un número pequeño de elementos principalmente carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre. Los átomos de carbono, debido a su reducido tamaño y a sus cuatro electrones de enlace, se pueden unir a otros átomos de carbono en cadenas y anillos para formar moléculas grandes y complejas. La mayor parte de las interacciones moleculares en las células ocurren en solución acuosa y requieren fluctuaciones bastante pequeñas de temperatura y acidez. A bajas temperaturas las reacciones son muy lentas, en tanto que las altas temperaturas o la acidez extrema pueden dañar de manera irreversible la estructura de las moléculas de proteína. Aun cambios pequeños en la acidez pueden alterar a las moléculas y la manera en que interactúan. Los organismos unicelulares y pluricelulares contienen moléculas que ayudan a mantener la acidez celular dentro de los límites necesarios.

La célula realiza su trabajo mediante los muchos tipos diferentes de moléculas que ella ensambla, principalmente proteínas. Las moléculas de proteínas son largas, generalmente constituyen cadenas plagadas hechas de 20 tipos distintos de moléculas de aminoácidos. La función de cada proteína depende de su secuencia específica de aminoácidos y de la forma que toma la cadena como consecuencia de las atracciones que existen entre sus partes. Algunas de las moléculas ensambladas ayudan a replicar la información genética, reparar las estructuras celulares, facilitar a otras moléculas la entrada o salida de la célula y generalmente catalizar y regular las interacciones moleculares. En las células especializadas, otras moléculas proteínicas pueden transportar oxigeno, efectuar contracción, responder a estímulos externos, o proveer material para cabello, uñas y otras estructuras del cuerpo; aun en otras células, se pueden exportar moléculas ensambladas para funcionar como hormonas, anticuerpos o enzimas digestivas.

Todas las células de un organismo son descendientes del óvulo único fecundado y contienen la misma información de ADN. A medida que generaciones sucesivas de células se forman por división, pequeñas diferencias en sus ambientes inmediatos provocan que se desarrollen de manera un poco distinta mediante la activación o desactivación de diferentes partes de la información de ADN. Las generaciones posteriores de células se diferencian más aun y finalmente maduran en células tan distintas como glandulares, musculares y nerviosas.

Las complejas interacciones entre los innumerables tipos de moléculas en la célula pueden dar origen a distintos ciclos de actividades, como crecimiento y división. El control de los procesos celulares también puede venir de afuera: el comportamiento celular puede recibir la influencia de moléculas de otras partes del organismo o de otros organismos (por ejemplo, hormonas y neurotransmisores) que se unen a la membrana de la célula o pasan a través de ella y afectan las velocidades de reacción entre los constituyentes celulares.Top button

 

INTERDEPENDENCIA DE LA VIDA

Cada especie está ligada, directa o indirectamente, con una multitud de otras especies en un ecosistema. Las plantas proveen comida, refugio y nidos a otros organismos. Por su parte, muchas plantas dependen de los animales para que las ayuden en la reproducción (las abejas polinizan las flores, por ejemplo) y en la adquisición de ciertos nutrientes (como minerales en productos de desecho animal). Todos los animales forman parte de cadenas alimentarias que incluyen plantas y animales de otras especies, y en ocasiones de la misma. La relación entre depredador y presa es común, con sus herramientas ofensivas para los depredadores dientes, picos, garras, veneno, etc. y sus instrumentos defensivos para las presas camuflaje para esconderse, rapidez para escapar, escudos o espinas para que no los puedan tocar, sustancias irritantes para repeler. Algunas especies llegan a depender mucho de otras (por ejemplo, los pandas o los koalas sólo pueden comer de cierta clase de árboles), otras han llegado a adaptarse entre si a tal grado que no podrían sobrevivir de otra manera (por ejemplo, las avispas que solamente anidan en las higueras y son los únicos insectos que pueden polinizarlas).

Existen también otras relaciones entre los organismos. Los parásitos se nutren de sus huéspedes, a veces con malas consecuencias para los últimos. Los animales necrófagos y los desintegradores se alimentan sólo de animales y plantas muertos. Y algunos organismos tienen relaciones benéficas para ambas partes por ejemplo, las abejas que extraen néctar de las flores y de manera incidental transportan polen de una flor a la siguiente, o las bacterias que viven en el intestino humano e incidentalmente sintetizan algunas vitaminas y protegen la mucosa intestinal contra los gérmenes.

Pero la interacción de los organismos vivos no se lleva a cabo en un ambiente pasivo. Los ecosistemas están determinados por el entorno no vivo de la Tierra y el agua radiación solar, precipitación pluvial, concentraciones minerales, temperatura y topografía. El mundo contiene una gran diversidad de condiciones físicas, las cuales crean una amplia variedad de ambientes: aguas corrientes y oceánicas, bosques, desiertos, pastizales, tundras, montañas y muchos otros. En todos ellos, los organismos utilizan los recursos vitales de la Tierra, cada uno busca su parte en formas específicas que están limitadas por otros organismos. En cada parte del ambiente habitable, los diferentes organismos compiten por comida, espacio, luz, calor, agua, aire y abrigo. Las interacciones fluctuantes y eslabonadas de las formas de vida y el entorno componen un ecosistema total; para entender bien cualquier parte de éste se requiere conocer cómo interactúa esa porción con las demás.

La interdependencia de los organismos en un ecosistema con frecuencia da por resultado una estabilidad aproximada durante cientos o miles de años. A medida que una especie prolifera, es refrenada por uno o más factores ambientales: falta de comida y lugares para anidar, aumento de pérdidas por depredadores o invasión de parásitos. Si ocurre un desastre natural, como una inundación o un incendio, es probable que el ecosistema dañado se recupere en una serie de etapas que finalmente terminará en un sistema similar al original.

Como muchos sistemas complejos, los ecosistemas suelen presentar variaciones cíclicas cercanas al estado aproximado de equilibrio. Sin embargo, a la larga, los ecosistemas se modifican inevitablemente cuando cambia el clima o cuando aparecen nuevas especies muy diferentes como resultado de la migración o evolución (o los seres humanos las introducen de manera inadvertida o deliberada). Top button

 

FLUJO DE MATERIA Y ENERGÍA

A pesar del complejo funcionamiento de los organismos vivos, éstos comparten con todos los demás sistemas naturales los mismos principios físicos de conservación y transformación de la materia y la energía. Durante mucho tiempo, la materia y la energía se han transformado entre los organismos vivos y entre ellos y su ambiente físico. En estos ciclos a gran escala, la cantidad total de materia y energía se mantiene constante, aun cuando su forma y localización experimenten un cambio continuo.

Casi toda la vida en la Tierra se mantiene fundamentalmente por transformaciones de la energía solar. Las plantas captan la energía del Sol y la utilizan para sintetizar moléculas complejas ricas en energía, sobre todo azúcares, a partir de moléculas de dióxido de carbono y agua. Estas moléculas sintetizadas sirven entonces, directa o indirectamente, como una fuente de energía para las mismas plantas y por último para todos los animales y los organismos desintegradores, como bacterias y hongos. Esta es la cadena alimentaria: los organismos que consumen plantas derivan su energía y materiales al descomponer las moléculas de las plantas, las utilizan para sintetizar sus propias estructuras y después estos mismos son consumidos por otros organismos. En cada etapa de la cadena alimentaria se almacena cierta cantidad de energía en las estructuras recién sintetizadas y otra se disipa en el ambiente en forma de u calor producido por los procesos químicos liberadores de energía en las células. Un ciclo similar de energía comienza en los océanos con la captación de energía del Sol por pequeños organismos semejantes a plantas. Cada etapa sucesiva en la cadena alimentaria captura solamente una pequeña fracción del contenido energético de los organismos de que se alimenta.

Los elementos que forman las moléculas de los seres vivos se reciclan de manera continua. Entre éstos destacan: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, azufre, fósforo, calcio, sodio, potasio y hierro. Estos y otros elementos que se encuentran en moléculas ricas en energía son transferidos a lo largo de toda la cadena alimentaria y finalmente son reciclados por los organismos desintegradores, que los convierten en nutrientes minerales utilizables por las plantas. Aunque a menudo puede haber excesos y déficits, la situación en toda la Tierra es que los organismos mueren y se descomponen en la misma proporción en que se forma nueva vida. Esto es, la biomasa total se mantiene casi constante, hay un flujo cíclico de materiales de vieja a nueva vida, y existe un flujo irreversible de energía de la luz solar captada hacia calor disipado.

Al parecer, hace millones de años ocurrió una interrupción importante en el flujo de energía cuando el crecimiento de plantas terrestres y organismos marinos superó a la capacidad de los organismos desintegradores para reciclarlos. Las capas acumuladas de material orgánico rico en energía se transformaron gradualmente en carbón y petróleo por la presión de la tierra suprayacente. La energía que se almacenó en su estructura molecular, ahora se puede liberar por combustión, y la moderna civilización depende de cantidades inmensas de energía proveniente de esos combustibles fósiles de la tierra. Al quemarlos, se está pasando finalmente casi toda la energía almacenada al entorno en forma de calor. También regresan a la atmósfera en un tiempo relativamente corto grandes cantidades de dióxido de carbono que había sido retirado lentamente durante millones de años.

La cantidad de vida que cada ambiente puede sustentar está limitada por sus recursos básicos: la afluencia de energía, minerales y agua. La productividad sostenida de un ecosistema requiere suficiente energía para que se sinteticen nuevos productos, como árboles y cosechas, y también para reciclar completamente los residuos de los viejos (hojas muertas, aguas residuales, etc.). Cuando la tecnología humana interviene, los materiales se pueden acumular como desperdicio que no se recicla. Cuando la afluencia de recursos es insuficiente, se acelera la desecación de los suelos, la desertización o el agotamiento de las reservas minerales. Top button

 

EVOLUCIÓN DE LA VIDA

Las formas de vida que existen en la Tierra hoy en día han evolucionado de ancestros comunes, empezando desde los organismos unicelulares más simples hace casi cuatro mil millones de años. Las ideas modernas de la evolución ofrecen una explicación científica para tres grupos principales de hechos observables acerca de la vida en la Tierra: 1. el enorme número de formas de vida que se observa alrededor; 2. las semejanzas sistemáticas en la anatomía y la química molecular que se nota dentro de esa diversidad, y 3. la secuencia de cambios en fósiles encontrados en capas sucesivas de rocas con una antigüedad de más de mil millones de años.

Desde que se empezaron a registrar fósiles, han aparecido muchas formas nuevas de vida, y la mayor parte de las estructuras antiguas han desaparecido. Las diversas secuencias rastreables de formas anatómicas cambiantes, inferidas a partir de eras de capas de rocas, convencieron a los científicos de que la acumulación de diferencias de una generación a la siguiente ha conducido a la larga a especies tan diferentes entre si, como las bacterias de los elefantes. La evidencia molecular refuerza la evidencia anatómica de los fósiles y provee detalles adicionales acerca de la secuencia en la cual varias descendencias derivan unas de otras.

Aunque los detalles de la historia de la vida en la Tierra siguen ensamblándose a partir de la evidencia geológica, anatómica y molecular, en general concuerdan los rasgos principales de esta historia. Al principio, las moléculas simples pudieron haber formado moléculas complejas que finalmente se convirtieron en células capaces de autorreplicarse. La vida sobre la Tierra ha existido durante tres mil millones de años. Durante los primeros dos mil millones de años de vida, solamente existieron microorganismos algunos de ellos al parecer muy semejantes a las bacterias y algas actuales. Con el desarrollo de células nucleadas hace aproximadamente mil millones de años, hubo un gran incremento en el ritmo de evolución de organismos pluricelulares cada vez más complejos. Desde entonces, el ritmo de evolución de nuevas especies ha sido desigual, lo que tal vez refleje los índices variables de cambio en el ambiente físico

Un concepto central de la teoría de la evolución es la selección natural, que surge de tres principios bien establecidos: 1. existe cierta variación de las características hereditarias dentro de cada especie de organismos; 2. algunas de estas características les darán a los individuos una ventaja sobre otros para sobrevivir hasta la madurez y la reproducción, y 3. esos individuos quizá serán más proclives a tener mayor descendencia, lo cual les dará mayor probabilidad de sobrevivir y reproducirse que otros. El posible resultado es que al paso de generaciones sucesivas, tenderá a incrementarse la proporción de individuos con características ventajosas heredadas.

Las características seleccionables pueden incluir detalles de bioquímica, como la estructura molecular de las hormonas o las enzimas digestivas, y rasgos anatómicos que se presentan en el desarrollo de los organismos, como el tamaño de los huesos o la longitud del pelo. También pueden incluir características más sutiles determinadas por la anatomía, como la agudeza visual o la eficiencia en el bombeo del corazón. Ya sea por medios bioquímicos o anatómicos, las características seleccionables también pueden influir en el comportamiento, como tejer determinada forma de telaraña, preferir ciertas características en un compañero, o manifestar disposición para cuidar la descendencia.

Pueden aparecer nuevas características hereditarias como resultado de nuevas combinaciones o mutaciones de los genes de los progenitores. A menos que sean mutaciones en el ADN de las células sexuales de un organismo, las características que resultan de acontecimientos durante la vida de un organismo no pueden transmitirse biológicamente a la generación siguiente. Así, por ejemplo, los cambios causados por uso o desuso de una estructura o función en un individuo, o por alteraciones en su ambiente, no pueden propagarse por selección natural.

Por su propia naturaleza, es probable que la selección natural dé lugar a organismos con características que están bien adaptadas para sobrevivir en ambientes específicos. Aun así, especialmente en poblaciones pequeñas, puede resultar en una propagación de características hereditarias que no tienen ventaja o desventaja inherentes de sobrevivencia o reproducción. Además, cuando un ambiente cambia (en este sentido, otros organismos son también parte del entorno), la ventaja o desventaja de características puede también cambiar. Por tanto, la selección natural no necesariamente resulta en progreso de largo plazo ni en una cierta dirección. La evolución construye sobre lo que ya existe, de tal forma que además de la variedad que ya existe, puede haber más.

La acción continua de la selección natural sobre nuevas características y en ambientes cambiantes, una y otra vez durante millones de años, ha producido una sucesión de diversas especies nuevas. La evolución no es una escala en la que las formas más bajas son reemplazadas por formas superiores, con los humanos emergiendo finalmente en la cima de las especies más avanzadas. Más bien es como un arbusto: muchas ramas emergieron hace mucho tiempo, algunas de ellas han muerto, otras han sobrevivido aparentemente con poco o ningún cambio durante años, y otras más se han ramificado repetidamente, dando origen a veces a organismos más complejos.

El concepto moderno de la evolución ofrece un principio unificante para entender la historia de la vida en la Tierra, las relaciones entre los seres vivos y la dependencia de la vida respecto del ambiente físico. Aunque todavía es poco claro cómo funciona la evolución en cada detalle, el concepto está tan bien establecido que provee una estructura para organizar la mayor parte del conocimiento biológico en una descripción coherente.Top button


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