La biología es el estudio de la vida en todos sus niveles de organización, desde el nivel molecular hasta la biosfera.
Las teorías biológicas permiten unificar las ideas y el conocimiento en esta ciencia.
La teoría celular señala que la unidad fundamental de la vida es la célula, constituyendo el componente estructural y funcional de los seres vivos; toda la vida consiste de células, y éstas provienen de células pre existentes. Muchas de las reacciones químicas de la vida se llevan a cabo en las células.
La teoría de la homeostasis o equilibrio interno señala que toda la organización estructural y funcional de los organismos vivos tiende hacia un equilibrio dinámico. Los organismos vivos deben mantener condiciones constantes en su medio interno (i.e. pH, temperatura, humedad, etc.). Este equilibrio se logra mediante mecanismos de autorregulación (i.e. retroalimentación positiva o negativa).
La interacción de los organismos vivos se da tanto con el ambiente en donde viven, como con otros organismos vivos, ya sea de la misma especie o de especies diferentes.
Los biólogos estudian la vida en sus diferentes niveles de organización. El conocimiento científico en biología se puede obtener a través de algún tipo de sistema modelo (i.e. ratón). La información obtenida a partir del modelo puede ser generalizada a otras especies.
La Vida en la Tierra
La biología utiliza los restos fósiles, las similitudes y diferencias anatómicas, y las comparaciones moleculares de los genomas para recontruir la historia de la vida.
La vida surgio primero por evolución química. La evolución comenzó con la formación de las células.
La fotosíntesis fue un paso importante en la evolución; cambio la atmósfera de la tierra, y proporcionó una forma de capturar la energía proveniente del sol.
Los primeros organismos vivos de la tierra fueron los procariotes; posteriormente aparecieron organismos con células más complejas, denomimados eucariotes. Las células eucariotas poseen compartimentos intracelulares, denominados organelos, incluyendo un núcleo que almacena y protege el material genético.
Las relaciones genéticas entre las especies se pueden representar bajo la forma de un árbol evolutivo. Las especies son agrupadas en tres grandes dominios: Archae, Bacteria y Eukarya.
Influencia de la Biología en la Sociedad
Las desiciones que tienen que ver con la aplicación de políticas públicas deben basarse en información científica correcta y exacta. Los biólogos pueden ser convocados como consejeros por organismos gubernamentales para plantear soluciones a problemas que involucren algún componente biológico.
Conceptos Fundamentales sobre la Vida
Los organismos vivos poseen un alto grado de organización
La organización de los sistemas vivos comienza en el nivel atómico; los átomos constituyen los bloques fundamentales de la vida. Los átomos reciben el nombre de elementos.
La célula es la unidad básica estructural y funcional de todos los organismos vivos.
Las diferentes células interactúan para dar origen a los tejidos (i.e. tejido del miocardio).
Los tejidos se unen y organizan para dar origen a los órganos (i.e. corazón).
Los órganos trabajan coordinadamente como un sistema (i.e. el corazón, las arterias, las venas, etc., dan origen al sistema circulatorio).
Los organismos multicelulares (individuos) tienen varios sistemas formados por órganos (i.e. sistema respiratorio, nervioso, excretor, etc.).
Una especie ubicada en un área o ambiente en particular (vicuñas en las llanuras altoandinas) constituye una población.
Las poblaciones que interactúan en un área forman una comunidad.
La comunidad más el ambiente físico forman un ecosistema.
La biosfera comprende la superfice de la tierra, las aguas y la atmósfera, habitada por los organismos vivos.
Cada nivel de organización de los sistemas vivos es más complejo que el nivel anterior, teniendo propiedades emergentes debido a las interacciones de las partes que van constituyendo un todo; todas las propiedades emergentes obedecen a las leyes de la física y la química.
Los organismos vivos adquirieren materia y energía
El mantenimiento de la organización y los procesos que sostienen la vida requieren de una fuente de energía.
La fuente de energía para casi todos los organismos vivos sobre la tierra es el sol; las plantas y otros organismos convierten la energía solar en energía química por el proceso denominado fotosíntesis.
Los alimentos proveen de nutrientes y moléculas que son usadas como bloques de construcción y fuente de energía.
El término metabolismo se refiere al conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en una célula u organismo.
Todos los organismos deben mantener un estado de equilibrio o balance, denominado homeostasis. La temperatura, los niveles de humedad, el pH, etc. deben mantenerse dentro de un rango de tolerancia. Los seres vivos poseen intrincados mecanismos de control y regulación para mantener el balance homeostático.
Los organismos vivos responde a los estímulos
Los seres vivos interactúan con su ambiente y con otros organismos vivos.
La respuesta de un organismo frente a un estímulo por lo general produce algun tipo de movimiento (i.e. el movimiento de una planta en dirección del sol para capturar la energía solar, la retracción de una tortuga dentro de su caparazón para protegerse).
La capacidad de respuesta ayuda en la supervivencia de un organismo, y permite que pueda llevar a cabo sus actividades biológicas.
El conjunto de respuestas de un ser vivo constituyen su comportamiento.
Los organismos vivos se reproducen y desarrollan
La reproducción es la capacidad de cada organismo para producir otro organismo igual o semejante a él.
Las bacterias, los protozoos y otros organismos unicelulares se reproducen simplemente dividiendose en dos (fisión binaria).
Los organismos multicelulares frecuentemente unen espermatozoides y óvulos (gametos), cada uno proveniente de un individuo diferente, produciendo un ser inmaduro el cual se desarrolla posteriormente en un adulto.
Las instrucciones para la organización y el desarrollo de un organismo están codificadas en los genes.
Los genes estan constituidos de largas moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico); el ADN almacena el código genético de todos los organismos vivos.
Los organismos vivos tienen adaptaciones
Las adaptaciones son modificaciones de un organismo que lo hacen capaz de una forma o tipo de vida.
La selección natural es el proceso por el cual las especies se modifican en el transcurso del tiempo.
Una especie es el conjunto de individuos que se pueden cruzar entre si y tener descendencia fértil.
En la selección natural, los miembros de una especie pueden heredar un cambio genético que les da la capacidad de adaptarse mejor a un ambiente en particular. Estos individuos mejor adaptados, o "mas capaces", tendrán más posibilidades de producir un mayor número de descendientes que puedan sobrevivir.
El hecho que todas las formas de vida están compuestas de células, contengan genes hechos de ADN y lleven a cabo las misma reacciones metabólicas, sugiere que todos tenemos un ancestro en común.
Una especie puede dar origen a diferentes especies, cada una adaptada a un conjunto particular de condiciones ambientales.
La evolución es la responsable de la gran diversidad de vida en la tierra.
Organizacion de la Biósfera
Niveles de complejidad
La biósfera es la zona de aire, tierra y agua donde los organismos existen.
Un ecosistema incluye todos los componentes de una comunidad viva y el ambiente físico (i.e. suelo, atmósfera, etc).
Las interacciones entre los organismos vivos y sus cadenas alimenticias se denomina red trófica.
Los ecosistemas se caracterizan por los ciclos químicos y el flujo de energía.
Los ecosistemas pueden mantenerse y existir debido a un constante ingreso y suministro de energía, y, a la capacidad de los organismos fotosintetizadores de absorber esta energía.
Población Humana
Las poblaciones humanas modifican los ecosistemas existentes para su propio beneficio.
Dos grandes ecosistemas biologicamente muy diversos, las selvas tropicales y los arrecifes de coral, están siendo seriamente amenazados por acción de las poblaciones humanas.
Los seres humanos depeden del buen estado de salud y funcionamiento de los ecosistemas para obtener alimentos, medicinas, así como materias primas.
Diversidad Biológica
La diversidad biológica comprende al número total de especies, su variabilidad genética y sus ecosistemas.
La clasificación de los organismos vivos
La taxonomía es la disciplina que identifica y caracteriza a los organismos de acuerdo a ciertas reglas.
La clasificación taxonómica cambia mientras más aprendemos y conocemos acerca de los organismos vivos, incluyendo las relaciones evolutivas entre las especies.
Desde la categoria más pequeña (menos inclusiva) hasta la más grande (más inclusiva), la secuencia de categorías de clasificación es la siguiente: (1) especie, (2) género, (3) familia, (4) órden, (5) clase, (6) phyllum, (7) reino, (8) dominio.
Las especies dentro de un mismo género comparten muchas características específicas y son las mas cercanamente relacionadas.
Dominios
Las evidencias bioquímicas sugieren que hay tres grandes dominios: Bacteria, Archae y Eukarya.
Los dominios Bacteria y Archae contienen procariotes unicelulares; los organismos en el dominio Eukarya tienen un núcleo rodeado por una membrana, pueden ser unicelulares o multicelulares.
Los procariotes son estructuralmente simples pero metabolicamnete complejos.
Los organismos pertenecientes al domino Archae pueden vivir en aguas carentes de oxígeno, y son capaces de sobrevivir en condiciones ambientales muy difíciles y extremas (temperatura, salinidad, pH).
Las bacterias están adaptadas a vivir en casi cualquier lugar (agua, suelo, atmósfera, en el cuerpo humano, etc.).
Reinos
Los dominios Archae y Bacteria no son categorizados dentro de los reinos.
El domino Eukarya contiene cuatro reinos: (1) Protista, (2) Fungi, (3) Plantae, (4) Animalia.
Los Protistas pueden tener formas unicelulares o multicelulares.
Los Fungi pueden ser mohos u hongos.
Los Plantae son organismos fotosintéticos multicelulares.
Los Animalia son organismos multicelulares que ingieren y procesan sus alimentos.
El Nombre Científico
Un nombre binomial posee dos partes: el género (la primera palabra) y la especie (segunda palabra).
Los nombres binomiales se derivan del Latin y son usados universalmente por los biólogos para nombrar a los seres vivos (i.e. Homo sapiens).
El Camino de la Ciencia
El Método Científico
La biología es el estudio científico de la vida, y está formada por muchas disciplinas.
El proceso científico difiere de otras formas de aprender sobre el mundo que nos rodea en que la ciencia sigue el método científico. Este se caracteriza por la observación, el desarrollo de hipótesis, la experimentacion y recolección de datos, y la elaboración de conclusiones.
La Observación
Los científicos creen que la naturaleza tiene una organización y puede ser medida o conocida, y, que las leyes naturales (i.e. la ley de la gravedad) no cambian con el tiempo.
Los eventos naturales, llamados fenómenos, pueden ser comprendidos mediante la observación.
Los científicos utilizan el conocimiento y la experiencia de otros científicos para ampliar la comprensión de los fenómenos.
El azar o la casualidad puede, algunas veces, ayudar a un científico a obtener una idea (i.e. el descubrimiento de la penicilina por Alexander Fleming).
Hipótesis
El razonamiento inductivo permite a una persona unir hechos aislados en un todo cohesivo y coherente.
Un científico usa el razonamiento inductivo para elaborar una posible explicación (hipótesis) para un evento natural; las hipótesis se presenta como una afirmación en tiempo presente.
Los científicos solo consideran las hipótesis que pueden ser sometidas a evaluación o pueden ser probadas (i.e. las creencias morales o religiosas no pueden ser evaluadas por el método científico).
Experimentación y observaciones adicionales
La evaluación y comprobación de una hipótesis implica la elaboración y ejecución de un experimento, o la realización de observaciones adicionales.
El razonamiento deductivo involucra la lógica del "Si.....entonces....." para hacer una predicción, de tal manera que la hipótesis pueda ser sostenida, afirmada o comprobada mediante la experimentación.
Un diseño experimental es propuesto para probar una hipótesis. Un experimento debe incluir un grupo control el cual es sometido a todos los pasos del experimento, pero no es expuesto a un factor que está siendo evaluado.
Los científicos pueden usar un modelo (que es una representación de un objeto actual) en sus experimentos.
Los Datos
Los datos son los resultados de un experimento, son observables y objetivos, no subjetivos.
Los datos son mostrados en representaciones a manera de gráficos o tablas.
Muchos estudios se sostienen sobre datos estadísticos los que, entre otras cosas, determinan la probabilidad de error en el experimento.
Los métodos estadísticos son aplicados a los datos que se obtienen para establecer si las diferencias observadas son significativas, o si se pueden explicar por el azar. Estos métodos tienen su punto de partida en la hipótesis nula, que establece que no hay diferencias entre los datos obtenidos.
Conclusión
La base de la conclusión radica en que la capacidad de confirmar o rechazar la hipótesis con los datos obtenidos.
Las Teorías Científicas
Las Teorías Científicas tienen como objetivo fundamental comprender y dar una explicación al mundo natural. Las teorías son ideas especulativas que unen hipótesis probadas y relacionadas, y se sustentan sobre un amplio rango de observaciones, experimentos y datos.
Algunas de las teorías básicas en biología son las siguientes:
La teoría celular señala que todos los organismos están hechos de células.
La teoría de la homeostasis señala que el ambiente interno de un organismo permanece relativamente constante.
La teoría genética, que afirma que los organismos contienen información codificada que determina la forma, la función y el comportamiento.
La teoría de los ecosistemas señala que las poblaciones interactuan unas con otras y con su ambiente físico.
La teoría de la evolución señale que todos los organismos vivos tienen un ancestro en común.
Un principio o ley es una teoría que es generalmente aceptada por los científicos.
Estudios Controlados
Un estudio controlado asegura que el resultado se debe a una variable experimental (variable independiente) que es el factor evaluado.
El resultado es denominado variable respuesta (variable dependiente).
El Experimento
En el desarrollo de un experimento se sigue la siguiente secuencia:
Hipótesis: la rotación de cultivos de arvejas y trigo incrementa la producción de trigo, tan bien o mejor que con el uso de fertilizantes nitrogenados.
Predicción: después del crecimiento de plantas de arvejas en el suelo, la biomasa del trigo expuesta a los productos y desechos de las arvejas en el suelo será mayor que la biomasa del trigo tratado con fertilizantes nitrogenados.
Grupo control: trigo que no recibe fertilizante.
Grupo de prueba o experimental: trigo tratado con diferentes niveles de fertilizantes; trigo que crece en suelo en donde las plantas de arvejas han sido cultivadas.
Las condiciones ambientales y de riego son idénticas en el grupo control y los grupos de prueba.
Resultados: todos los grupos de prueba produjeron más biomasa de trigo que el grupo control, pero los niveles más altos de fertilizantes nitrogenados produjeron más biomasa que el grupo de prueba que crecio en el suelo donde fueron sembradas anteriormente las plantas de arveja. Con estos resultados la hipótesis no se sostiene.
Continuando con los experimentos
Para probar la hipótesis de que los productos y residuos de las plantas de arveja se acumularán en el tiempo, y se incrementará la producción de trigo, comparada con el uso de fertilizantes nitrogenados, el estudio se continua por otro año.
Durante ese año, el tratamiento con uso exclusivo de fertilizantes ya no excede la producción de biomasa de trigo comparado con el uso de arvejas. La biomasa de trigo del grupo de prueba expuesto a los productos y residuos de las arvejas fue la más alta.
Conclusión: al final de los dos años, la producción de trigo es mucho mejor en el grupo de prueba tratado con productos y residuos de arvejas. La hipótesis es sostenida y confirmada.
La cotinuación de los estudios por otro año mostró que el suelo mejoró continuamente por acción de los productos y residuos de las arvejas, comparado con el uso de fertilizantes nitrogenados en los grupos de prueba o experimentación.
Los resultados se reportan en una revista cientifica.
Estudio de campo
Hipótesis: la agresión entre aves macho de plumaje azul varia durante el ciclo reproductivo.
Predicción: la agresión cambiará después de que el nido es construido, depués de la puesta del primer huevo, y después de la eclosión del huevo.
Para probar la hipótesis, un maniqui (modelo) de ave macho de plumaje azul fue colocado cerca de los nidos mientras que las aves macho se fueron, y se realizaron observaciones a su retorno.
Control: un modelo de un ave de plumaje amarillo también fue colocada cerca de los nidos.
Resultados: los machos de plumaje azul no molestaron al ave modelo control (plumaje amarillo), pero fueron agresivos con los modelos de aves de plumaje azul dependiendo de la etapa del ciclo reproductivo.
Conclusión: la hipótesis fue sostenida y confirmada.
El estudio se reporta en una revista científica dándole una interpretación evolutiva.
Fuentes de Información
Sadava D. et al. 2006. The Science of Biology. 8th Edition. W.H.Freeman
Mader S. 2007. Biology. 9th Edition. McGraw-Hill
Imagen tomada de: http://info.zephyr.free.fr/images/Medicale/PE01001%20adn.JPG
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