Desde sus inicios, la biología ha luchado con cuatro preguntas: ¿Cuáles son las propiedades compartidas que hacen que algo esté "vivo"? ¿Cómo funcionan esos diversos seres vivos? Cuando nos enfrentamos a la notable diversidad de la vida, ¿cómo organizamos los diferentes tipos de organismos para poder entenderlos mejor? Y, finalmente, lo que los biólogos buscan entender en última instancia, ¿cómo surgió esta diversidad y cómo continúa? A medida que se descubren nuevos organismos todos los días, los biólogos continúan buscando respuestas a estas y otras preguntas.
Propiedades de la vida
Todos los grupos de organismos vivos comparten varias características o funciones clave: orden, sensibilidad o respuesta a estímulos, reproducción, adaptación, crecimiento y desarrollo, regulación / homeostasis y procesamiento de energía. Cuando se ven juntas, estas ocho características sirven para definir la vida.
Orden
Los organismos son estructuras altamente organizadas que consisten en una o más células. Incluso los organismos unicelulares muy simples son notablemente complejos. Dentro de cada célula, los átomos forman moléculas. Estos a su vez forman componentes celulares u orgánulos. Los organismos multicelulares, que pueden consistir en millones de células individuales, tienen una ventaja sobre los organismos unicelulares en que sus células pueden especializarse para realizar funciones específicas e incluso sacrificarse en ciertas situaciones por el bien del organismo en su conjunto.
| Un sapo representa una estructura altamente organizada que consiste en células, tejidos, órganos y sistemas de órganos. |
Los organismos responden a diversos estímulos. Por ejemplo, las plantas pueden doblarse hacia una fuente de luz o responder al tacto. Incluso las bacterias pequeñas pueden moverse hacia o lejos de los químicos (un proceso llamado quimiotaxis) o la luz (fototaxis). El movimiento hacia un estímulo se considera una respuesta positiva, mientras que el alejamiento de un estímulo se considera una respuesta negativa.
| Las hojas de esta planta sensible (Mimosa pudica) se caerán y doblarán instantáneamente al tocarlas. Después de unos minutos, la planta vuelve a su estado normal. |
Reproducción
Los organismos unicelulares se reproducen duplicando primero su ADN, que es el material genético, y luego dividiéndolo por igual a medida que la célula se prepara para dividirse para formar dos nuevas células. Muchos organismos multicelulares (aquellos formados por más de una célula) producen células reproductivas especializadas que formarán nuevos individuos. Cuando se produce la reproducción, los genes que contienen ADN pasan a la descendencia de un organismo. Estos genes son la razón por la que la descendencia pertenecerá a la misma especie y tendrá características similares a las del progenitor, como el color del pelaje y el tipo de sangre.
Adaptación
Todos los organismos vivos exhiben un "ajuste" a su entorno. Los biólogos se refieren a este ajuste como adaptación y es una consecuencia de la evolución por selección natural, que opera en cada linaje de organismos reproductores. Los ejemplos de adaptaciones son diversos y únicos, desde Archaea resistentes al calor que viven en aguas termales hirviendo hasta la longitud de la lengua de una polilla que alimenta el néctar que coincide con el tamaño de la flor de la que se alimenta. Todas las adaptaciones mejoran el potencial reproductivo del individuo que las exhibe, incluida su capacidad de sobrevivir para reproducirse. Las adaptaciones no son constantes. A medida que cambia el entorno, la selección natural hace que las características de los individuos en una población rastreen esos cambios.
Crecimiento y desarrollo
Los organismos crecen y se desarrollan de acuerdo con instrucciones específicas codificadas por sus genes. Estos genes proporcionan instrucciones que dirigirán el crecimiento y desarrollo celular, asegurando que las crías de una especie crecerán para exhibir muchas de las mismas características que sus padres.
| Aunque no hay dos iguales, estos gatitos han heredado genes de ambos padres y comparten muchas de las mismas características. |
Regulación / Homeostasis
Incluso los organismos más pequeños son complejos y requieren múltiples mecanismos reguladores para coordinar las funciones internas, como el transporte de nutrientes, la respuesta a los estímulos y el manejo del estrés ambiental. Por ejemplo, los sistemas de órganos como los sistemas digestivo o circulatorio realizan funciones específicas como transportar oxígeno por todo el cuerpo, eliminar desechos, entregar nutrientes a cada célula y enfriar el cuerpo.
Para funcionar correctamente, las células requieren condiciones apropiadas, como la temperatura, el pH y las concentraciones de diversos productos químicos. Sin embargo, estas condiciones pueden cambiar de un momento a otro. Los organismos pueden mantener las condiciones internas dentro de un rango estrecho casi constantemente, a pesar de los cambios ambientales, a través de un proceso llamado homeostasis o "estado estacionario", la capacidad de un organismo para mantener condiciones internas constantes. Por ejemplo, muchos organismos regulan su temperatura corporal en un proceso conocido como termorregulación. Los organismos que viven en climas fríos, como el oso polar, tienen estructuras corporales que los ayudan a soportar bajas temperaturas y a conservar el calor corporal. En climas cálidos, los organismos tienen métodos (como la transpiración en humanos o jadeo en perros) que los ayudan a eliminar el exceso de calor corporal.
Procesamiento de energía
Todos los organismos usan una fuente de energía para sus actividades metabólicas. Algunos organismos capturan energía del Sol y la convierten en energía química en los alimentos; otros usan energía química de las moléculas que absorben.
Evolución
La diversidad de la vida en la Tierra es el resultado de mutaciones o cambios aleatorios en el material hereditario a lo largo del tiempo. Estas mutaciones permiten la posibilidad de que los organismos se adapten a un entorno cambiante. Un organismo que desarrolle características adecuadas para el medio ambiente tendrá un mayor éxito reproductivo, sujeto a las fuerzas de la selección natural.
Niveles de organización de los seres vivos
Los seres vivos están altamente organizados y estructurados, siguiendo una jerarquía en una escala de pequeño a grande. El átomo es la unidad de materia más pequeña y fundamental. Consiste en un núcleo rodeado de electrones. Los átomos forman moléculas. Una molécula es una estructura química que consta de al menos dos átomos unidos por un enlace químico. Muchas moléculas que son biológicamente importantes son las macromoléculas, moléculas grandes que generalmente se forman combinando unidades más pequeñas llamadas monómeros. Un ejemplo de una macromolécula es el ácido desoxirribonucleico (ADN), que contiene las instrucciones para el funcionamiento del organismo que lo contiene.
| Una molécula, como esta gran molécula de ADN, está compuesta de átomos. |
Algunas células contienen agregados de macromoléculas rodeadas de membranas; Estos se llaman orgánulos. Los orgánulos son pequeñas estructuras que existen dentro de las células y realizan funciones especializadas. Todos los seres vivos están hechos de células; la célula misma es la unidad fundamental más pequeña de estructura y función en los organismos vivos. (Este requisito es la razón por la cual los virus no se consideran vivos: no están hechos de células. Para crear nuevos virus, tienen que invadir y secuestrar una célula viva; solo entonces pueden obtener los materiales que necesitan para reproducirse). Algunos organismos consisten en una sola célula y otras son multicelulares. Las células se clasifican en procariotas o eucariotas. Los procariotas son organismos unicelulares que carecen de orgánulos rodeados por una membrana y no tienen núcleos rodeados por membranas nucleares; en contraste, las células de los eucariotas tienen organelos y núcleos unidos a la membrana.
En la mayoría de los organismos multicelulares, las células se combinan para formar tejidos, que son grupos de células similares que realizan la misma función. Los órganos son colecciones de tejidos agrupados en función de una función común. Los órganos están presentes no solo en animales sino también en plantas. Un sistema de órganos es un nivel superior de organización que consiste en órganos funcionalmente relacionados. Por ejemplo, los animales vertebrados tienen muchos sistemas de órganos, como el sistema circulatorio que transporta la sangre por todo el cuerpo y hacia y desde los pulmones; Incluye órganos como el corazón y los vasos sanguíneos. Los organismos son entidades vivientes individuales. Por ejemplo, cada árbol en un bosque es un organismo. Los procariotas unicelulares y los eucariotas unicelulares también se consideran organismos y generalmente se los denomina microorganismos.
Todos los individuos de una especie que viven dentro de un área específica se denominan colectivamente población. Por ejemplo, un bosque puede incluir muchos pinos blancos. Todos estos pinos representan la población de pinos blancos en este bosque. Diferentes poblaciones pueden vivir en la misma área específica. Por ejemplo, el bosque con los pinos incluye poblaciones de plantas con flores y también insectos y poblaciones microbianas. Una comunidad es el conjunto de poblaciones que habitan un área en particular. Por ejemplo, todos los árboles, flores, insectos y otras poblaciones en un bosque forman la comunidad del bosque. El bosque en sí es un ecosistema. Un ecosistema consta de todos los seres vivos en un área particular junto con las partes abióticas o no vivas de ese entorno, como el nitrógeno en el suelo o el agua de lluvia. En el nivel más alto de organización, la biosfera es la colección de todos los ecosistemas y representa las zonas de vida en la Tierra. Incluye tierra, agua y porciones de la atmósfera.
La diversidad de la vida.
La ciencia de la biología tiene un alcance muy amplio porque hay una tremenda diversidad de vida en la Tierra. La fuente de esta diversidad es la evolución, el proceso de cambio gradual durante el cual surgen nuevas especies de especies más antiguas. Los biólogos evolutivos estudian la evolución de los seres vivos en todo, desde el mundo microscópico hasta los ecosistemas.
En el siglo XVIII, un científico llamado Carl Linnaeus propuso por primera vez organizar las especies conocidas de organismos en una taxonomía jerárquica. En este sistema, las especies que son más similares entre sí se agrupan dentro de un grupo conocido como género. Además, géneros similares (el plural del género) se agrupan dentro de una familia. Esta agrupación continúa hasta que todos los organismos se reúnen en grupos al más alto nivel. El sistema taxonómico actual ahora tiene ocho niveles en su jerarquía, de menor a mayor, son: especie, género, familia, orden, clase, filo, reino, dominio. Por lo tanto, las especies se agrupan dentro de los géneros, los géneros se agrupan dentro de las familias, las familias se agrupan dentro de los órdenes, etc.
El nivel más alto, dominio, es una adición relativamente nueva al sistema desde la década de 1990. Los científicos ahora reconocen tres dominios de la vida, Eukarya, Archaea y Bacteria. El dominio Eukarya contiene organismos que tienen células con núcleos. Incluye los reinos de hongos, plantas, animales y varios reinos de protistas. Las Archaea, son organismos unicelulares sin núcleos e incluyen muchos extremófilos que viven en ambientes hostiles como las aguas termales. Las bacterias son otro grupo bastante diferente de organismos unicelulares sin núcleos. Tanto Archaea como Bacteria son procariotas, un nombre informal para células sin núcleo. El reconocimiento en la década de 1990 de que ciertas "bacterias", ahora conocidas como Archaea, eran tan diferentes genética y bioquímicamente de otras células bacterianas como lo eran de los eucariotas, motivó la recomendación de dividir la vida en tres dominios. Este cambio dramático en nuestro conocimiento del árbol de la vida demuestra que las clasificaciones no son permanentes y cambiarán cuando haya nueva información disponible.
Además del sistema taxonómico jerárquico, Linneo fue el primero en nombrar organismos utilizando dos nombres únicos, ahora llamados el sistema de nombres binomiales. Antes de Linneo, el uso de nombres comunes para referirse a organismos causaba confusión porque había diferencias regionales en estos nombres comunes. Los nombres binomiales consisten en el nombre del género (que está en mayúscula) y el nombre de la especie (todo en minúsculas). Ambos nombres están en cursiva cuando se imprimen. Cada especie recibe un binomio único que es reconocido en todo el mundo, para que un científico en cualquier lugar pueda saber a qué organismo se refiere. Por ejemplo, el arrendajo azul de América del Norte se conoce únicamente como Cyanocitta cristata. Nuestra propia especie es el Homo sapiens.
| Estas imágenes representan diferentes dominios. La micrografía electrónica de barrido muestra (a) que las células bacterianas pertenecen al dominio Bacteria, mientras que los (b) extremófilos, vistos en conjunto como esteras de colores en esta fuente termal, pertenecen al dominio Archaea. Tanto el (c) girasol como (d) el león son parte del dominio Eukarya. |
Las relaciones evolutivas de varias formas de vida en la Tierra se pueden resumir en un árbol filogenético. Un árbol filogenético es un diagrama que muestra las relaciones evolutivas entre especies biológicas basadas en similitudes y diferencias en rasgos genéticos o físicos o ambos. Un árbol filogenético está compuesto de puntos de rama, o nodos, y ramas. Los nodos internos representan ancestros y son puntos en la evolución cuando, según la evidencia científica, se cree que un antepasado divergió para formar dos nuevas especies. La longitud de cada rama puede considerarse como estimaciones del tiempo relativo.
En el pasado, los biólogos agruparon a los organismos vivos en cinco reinos: animales, plantas, hongos, protistas y bacterias. El trabajo pionero del microbiólogo estadounidense Carl Woese a principios de la década de 1970 ha demostrado, sin embargo, que la vida en la Tierra ha evolucionado a lo largo de tres linajes, ahora llamados dominios: bacterias, arqueas y eucarias. Woese propuso el dominio como un nuevo nivel taxonómico y Archaea como un nuevo dominio, para reflejar el nuevo árbol filogenético. Muchos organismos que pertenecen al dominio Archaea viven en condiciones extremas y se llaman extremófilos. Para construir su árbol, Woese utilizó relaciones genéticas en lugar de similitudes basadas en la morfología (forma). Se usaron varios genes en estudios filogenéticos. El árbol de Woese se construyó a partir de la secuenciación comparativa de los genes que están distribuidos universalmente, que se encuentran en alguna forma ligeramente alterada en cada organismo, conservados (lo que significa que estos genes han permanecido solo ligeramente modificados a lo largo de la evolución) y de una longitud adecuada.
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| Este árbol filogenético fue construido por el microbiólogo Carl Woese utilizando relaciones genéticas. El árbol muestra la separación de los organismos vivos en tres dominios: bacterias, arqueas y eucarias. Las bacterias y las arqueas son organismos sin núcleo u otros orgánulos rodeados por una membrana y, por lo tanto, son procariotas. |
Ramas de estudio biológico
El alcance de la biología es amplio y, por lo tanto, contiene muchas ramas y subdisciplinas. Los biólogos pueden seguir una de esas subdisciplinas y trabajar en un campo más enfocado. Por ejemplo, la biología molecular estudia los procesos biológicos a nivel molecular, incluidas las interacciones entre moléculas como el ADN, el ARN y las proteínas, así como la forma en que están reguladas. La microbiología es el estudio de la estructura y función de los microorganismos. Es una rama bastante amplia en sí misma y, dependiendo del tema de estudio, también hay fisiólogos, ecologistas y genetistas microbianos, entre otros.
Otro campo de estudio biológico, la neurobiología, estudia la biología del sistema nervioso, y aunque se considera una rama de la biología, también se reconoce como un campo de estudio interdisciplinario conocido como neurociencia. Debido a su naturaleza interdisciplinaria, esta subdisciplina estudia diferentes funciones del sistema nervioso utilizando enfoques moleculares, celulares, de desarrollo, médicos y computacionales.
| Los investigadores trabajan en la excavación de fósiles de dinosaurios en un sitio en Castellón, España. |
La paleontología, otra rama de la biología, utiliza fósiles para estudiar la historia de la vida. La zoología y la botánica son el estudio de animales y plantas, respectivamente. Los biólogos también pueden especializarse como biotecnólogos, ecólogos o fisiólogos, por nombrar solo algunas áreas. Los biotecnólogos aplican el conocimiento de la biología para crear productos útiles. Los ecologistas estudian las interacciones de los organismos en sus entornos. Los fisiólogos estudian el funcionamiento de las células, tejidos y órganos. Esta es solo una pequeña muestra de los muchos campos que los biólogos pueden seguir. Desde nuestros propios cuerpos hasta el mundo en que vivimos, los descubrimientos en biología pueden afectarnos de manera muy directa e importante. Dependemos de estos descubrimientos para nuestra salud, nuestras fuentes de alimentos y los beneficios proporcionados por nuestro ecosistema. Debido a esto, el conocimiento de la biología puede beneficiarnos a la hora de tomar decisiones en nuestra vida cotidiana.
El desarrollo de la tecnología en el siglo XX que continúa hoy, particularmente la tecnología para describir y manipular el material genético, el ADN, ha transformado la biología. Esta transformación permitirá a los biólogos continuar entendiendo la historia de la vida en mayor detalle, cómo funciona el cuerpo humano, nuestros orígenes humanos y cómo los humanos pueden sobrevivir como especie en este planeta a pesar del estrés causado por nuestro creciente número. Los biólogos continúan descifrando enormes misterios sobre la vida sugiriendo que solo hemos comenzado a entender la vida en el planeta, su historia y nuestra relación con él. Por esta y otras razones, el conocimiento de biología adquirido a través de este libro de texto y otros medios impresos y electrónicos debería ser un beneficio en cualquier campo que ingrese.
CONEXIÓN PROFESIONAL: Científico forense
La ciencia forense es la aplicación de la ciencia para responder preguntas relacionadas con la ley. Los biólogos, así como los químicos y bioquímicos pueden ser científicos forenses. Los científicos forenses proporcionan evidencia científica para su uso en los tribunales, y su trabajo consiste en examinar el material traza asociado con los delitos. El interés en la ciencia forense ha aumentado en los últimos años, posiblemente debido a los populares programas de televisión que cuentan con científicos forenses en el trabajo. Además, el desarrollo de técnicas moleculares y el establecimiento de bases de datos de ADN han actualizado los tipos de trabajo que los científicos forenses pueden hacer. Sus actividades laborales están relacionadas principalmente con crímenes contra personas, como asesinato, violación y agresión. Su trabajo consiste en analizar muestras como el cabello, la sangre y otros fluidos corporales y también procesar el ADN que se encuentra en muchos entornos y materiales diferentes. Los científicos forenses también analizan otras pruebas biológicas que quedan en la escena del crimen, como partes de insectos o granos de polen. Los estudiantes que quieran seguir carreras en ciencias forenses probablemente deberán tomar cursos de química y biología, así como algunos cursos intensivos de matemáticas.
| Este científico forense trabaja en una sala de extracción de ADN en el Laboratorio de Investigación Criminal del Ejército de EE. UU. |
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