Resumen Capítulo 1 - La biología y el árbol de la vida PDF

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Resumen del Capítulo 1 del Libro - Fundamentos de Biología, de Scott Freeman, Kim Quillin, Lizabeth Allison (6ª Edición). Grado Ciencias Ambientales, Curso I....

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Biología I – Capítulo 1

Carmen Allepuz Martín

CAPÍTULO 1: LA BIOLOGÍA Y EL ÁRBOL DE LA VIDA Una teoría es una explicación de una clase muy general de observaciones o fenómenos, comenzaremos examinando dos de las mayores ideas unificadoras de toda la ciencia:  

La teoría celular La teoría de la evolución por selección natural

(Ambas son bases del desarrollo de la biología moderna)

1.1 - ¿Qué quiere decir que algo está vivo? Un organismo es una forma de vida – una entidad viviente compuesta de una o más células. Los organismos comparten un conjunto de cinco características fundamentales: 1) Células: Los organismos están formados por una serie de unidades encerradas en membranas y que se denominan células. La membrana de una célula regula el paso de materiales entre los espacios interior y exterior a la membrana. 2) Replicación: Uno de los grandes biólogos del siglo XX, François Jacob, dijo que “el sueño de una bacteria es convertirse en dos bacterias”. Casi todo lo que un organismo hace contribuye a un objetivo: replicarse a sí mismo. 3) Evolución: Los organismos son el producto de la evolución, y sus poblaciones continúan evolucionando. 4) Información: Los organismos procesan información hereditaria, o genética, codificada en una serie de unidades denominadas genes. Los organismos también responden a la información recibida del entorno y se ajustan para mantener estables las condiciones internas. 5) Energía: Para seguir vivos y reproducirse, los organismos tienen que adquirir y usar energía. 1.2 - La teoría celular  

En 1665, Robert Hooke: Observó por primera vez las células, utilizando un microscopio muy simple para estudiar la estructura del corcho (observó pequeños compartimentos aparentemente invisibles). En 1674, Anton Van Leeuwenhoek: Observó por primera vez organismos unicelulares, con la ayuda de microscopios mucho más potentes observó y describió las estructuras de las células sanguíneas humanas y los espermatozoides.

A principios del siglo XIX se habían reunido las pruebas suficientes para declarar que todos los organismos están compuestos por células.

1.2.1.- Todos los organismos están formados por células Los organismos más pequeños conocidos son bacterias, apenas miden 200 nanómetros, por lo contrario, las secuoyas son organismos inmensos que pueden llegar a los 100 metros, sin embargo, las bacterias y las secuoyas están compuestas por el mismo ladrillo básico: la célula. Las bacterias consisten en una única célula; las secuoyas están compuestas por muchas células. La célula se define como un compartimento muy organizado rodeado de una estructura delgada y flexible llamada membrana plasmática, y que contiene sustancias químicas concentradas en una solución acuosa.

1.2.2.- ¿De dónde proceden las células?  En 1858, el científico alemán Rudolph Virchow declaró que todas las células surgen de células preexistentes. La teoría celular completa se basa en este concepto: todos los organismos están hechos de células, y todas las células provienen de otras células previas.

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DOS HIPÓTESIS  La mayor parte de las teorías científicas tienen dos componentes: 1) Descripción de un modelo del mundo natural 2) Identificación de un mecanismo o proceso que es el responsable de crear el modelo. La teoría celular completa se puede enunciar así: Todos los organismos están hechos de células, y todas las células provienen de células previas. Esta afirmación suponía una amenaza para la hipótesis ( explicación propuesta) de la «generación espontánea». La hipótesis de que todas las células surgen de otras células mantiene que éstas no llegan a la vida de forma espontánea, sino que se producen cuando otras células crecen y se dividen. Los biólogos suelen utilizar teoría para las explicaciones propuestas para modelos generales de la naturaleza e hipótesis para las explicaciones a preguntas más concretas. Una predicción es un resultado observable y mensurable, que debe ser correcto si la hipótesis es válida. UN EXPERIMENTO PARA ZANJAR LA DISCUSIÓN  En 1864, Louis Pasteur: Se propuso comprobar sus predicciones en un experimento. Quería determinar si podían surgir microorganismos espontáneamente en un caldo de nutrientes, o bien si sólo aparecen cuando el caldo se expone a una fuente de células. Para estudiar el problema creó dos grupos experimentales. o o  

Grupo 1) Caldo NO expuesto Grupo 2) Caldo SI expuesto

La Hipótesis de la generación espontánea predecía que las células aparecerían en ambos grupos. Hipótesis de que las células surgen de otras células predecía que las células solo aparecerían en el experimento expuesto a una fuente de células.

Louis Pasteur llevó a cabo su experimento utilizando: 1) Matraz de cuello recto. 2) Matraz de cuello de cisne.

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El matraz de cuello recto estaba expuesto a células después de la esterilización por calor, debido a su forma. Estas células previas son las bacterias y los hongos que se adhieren a las partículas de polvo del aire. Podían caer al caldo de nutrientes porque el cuello del matraz era recto. En el matraz de cuello de cisne, el agua se condensaría en el cayado del cuello de cisne después de hervir, y esta agua atraparía a todas las bacterias y los hongos que penetraran con las partículas de polvo. Así pues, el contenido del matraz de cuello de cisne estaba aislado de todas las fuentes de células, incluso aunque siguiera estando expuesto al aire. ¿Y CUÁLES FUERON LOS RESULTADOS DE P ASTEUR? El matraz de cuello recto se llenó rápidamente de bacterias y hongos, demostrando que la esterilización no había alterado la capacidad del caldo de nutrientes de servir de base al crecimiento. Sin embargo, el caldo situado en el matraz de cuello de cisne se mantuvo estéril. Este resultado era incompatible con la hipótesis de la generación espontánea. Ahora bien, si todas las células proceden de células existentes, ¿ DE DÓNDE SURGIERON LAS PRIMERAS CÉLULAS ? Los biólogos tienen pruebas de que la vida apareció a partir de la materia inerte en los primeros tiempos de la historia de la Tierra, a través de un proceso denominado evolución química.

1.2.3.- La vida se replica por medio de la división celular Las nuevas células proceden de la división de células previas. ¿Está relaciona esta enorme diversidad entre organismos con una ascendencia compartida? La segunda gran teoría fundadora de la biología, publicada el mismo año que la hipótesis de que todas las células nacen de otras células, ofreció una respuesta. Tal fue la comprensión, alcanzada de forma independiente por los científicos Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, de que todas las especies comparten ancestros comunes.

1.3.- La vida evoluciona  En 1859, Charles Darwin: Publicó un libro que ampliaba la idea resumida de que todas las especies comparten ancestros comunes. El libro se llamaba El origen de las especies. La primera edición se agotó en un día. 1.3.1.- ¿Qué es la evolución? LA TEORÍA DE DARWIN: 1. 2.

Las especies comparten ancestros comunes. Esto se oponía a la opinión predominante de la ciencia en ese momento, que era que las especies representan entidades independientes, creadas de una en una por un ser divino. Las características de las especies pueden cambiar de generación en generación. Darwin denominó a este proceso descendencia con modificación. Esta idea se enfrentaba a la visión popular de la época, según la cual las especies no cambian.

La evolución es un cambio en las características de una población a lo largo del tiempo. Una población se define como un grupo de individuos de la misma especie que viven en la misma zona al mismo tiempo. Dicho de otro modo, las especies están relacionadas entre sí y pueden cambiar con el tiempo. 1.3.2.- ¿Qué es la selección natural? DOS CONDICIONES DE LA SELECCIÓN NATURAL 1. 2.

La selección natural se produce cuando se cumplen dos condiciones.

Los individuos de una población varían con respecto a una serie de características que son heredables, es decir, que pueden ser transmitidas a la descendencia. En un entorno concreto, ciertas versiones de esos rasgos heredables ayudan a los individuos a sobrevivir mejor o a reproducirse más que otras versiones.

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Si ciertos rasgos heredables conducen a un mayor existo en la producción de descendencia, entonces esos rasgos se harán más frecuentes en la población. De este modo, las características de una población cambian como resultado de la acción de la selección natural sobre los individuos. La selección natural actúa sobre los individuos, pero el cambio evolutivo solo afecta a las poblaciones. La selección natural provoca que las poblaciones de una especie diverjan y formen nuevas especies. Este proceso se denomina especiación. Las investigaciones sobre la especiación tienen dos implicaciones importantes: 1) 2)

Todas las especies provienen de otras especies preexistentes. Todas las especies comparten un único ancestro común.

EFICACIA BIOLÓGICA Y ADAPTACIÓN 1. 2.

Darwin introdujo una nueva terminología para identificar lo que sucede durante la selección natural.

Eficacia biológica (fitness): Capacidad de un individuo de producir una descendencia viable. Los individuos con una alta eficacia biológica producen muchos descendientes. Adaptación: Rasgo que aumenta la eficacia biológica de un individuo en un entorno determinado.

La teoría celular y la teoría de la evolución otorgaron a la ciencia de la biología dos ideas centrales y unificadoras: 1) La célula es la unidad estructural básica de todos los organismos 2) Todas las especies están relacionadas por ancestros comunes y han cambiado a lo largo del tiempo en respuesta a la selección natural.

1.4.- La vida procesa la información  En 1902, Walter Sutton y Theodor Boveri: Propusieron la teoría cromosómica de la herencia. Dentro de las células, la información hereditaria o genética se codifica en genes, las unidades situadas en el interior de los cromosomas. NATURALEZA MOLECULAR DEL MATERIAL GENÉTICO: Un cromosoma está formado por una molécula de ácido desoxirribonucleico o ADN. (El ADN es el material hereditario. Los genes consisten en segmentos específicos de ADN que codifican los productos en la célula). 1.4.1.- El dogma central James Watson y Francis Crick propusieron que el ADN es una hélice con una doble cadena. Cada cadena de la doble hélice está constituida por secuencias variables de cuatro clases diferentes de bloques elementales. Las cuatro clases de bloques elementales se simbolizan por las letras A, T, C y G. Una secuencia de este código es como la que corresponde a las letras de una palabra: tiene un significado, conteniendo la información necesaria para el crecimiento y reproducción de un organismo.

Las dos cadenas de la doble hélice se unen por medio de conexiones entre los bloques elementales, que tienen lugar solo según ciertas combinaciones:  La A se empareja siempre con la T  La C se empareja siempre con la G Este emparejamiento es fundamental: el ADN puede copiarse, y la información codificada en el mismo se conserva de forma fidedigna.

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¿C ÓMO SE TRANSMITE LA INFORMACIÓN ? El dogma central describe el flujo de información en las células. En este contexto, el término “dogma” se refiere a un marco de conocimientos. En suma, puede decirse que el ADN codifica ARN, que codifica proteínas. La maquinaria molecular en las células prepara una copia de la información de un gen determinado en forma de una molécula relacionada que se denomina ácido ribonucleico, o ARN. Las moléculas de ARN transmiten una serie de funciones especializadas en las células.



P OR EJEMPLO: La maquinaria molecular lee una molécula de ARN mensajero para determinar qué bloques elementales se deben utilizar para preparar una proteína. Las proteínas son fundamentales para la mayor parte de las tareas necesarias para que una célula exista.

El conocimiento de la estructura del ADN permite indagar en cómo se transmite la información genética de una célula a otra (O de un organismo a sus descendientes). Fabricar una copia de ADN en una célula es un proceso de alta precisión, pero pueden producirse errores. ¿Qué sucede cuando aparece un error? Las diferencias en las secuencias de ADN pueden conducir a diferencias en las secuencias de los bloques de las proteínas. Las implicaciones son profundas: La apariencia externa de un organismo es producto de las proteínas generadas por su maquinaria molecular, con lo que las diferencias en las secuencias de ADN podrían conducir a modificaciones en el aspecto. En los individuos, dichos cambios podrían aumentar o reducir la eficacia biológica. En cambio, en las poblaciones los cambios en las secuencias se traducen en las variaciones heredables que hacen posible la evolución. 1.4.2.- La vida necesita energía Las reacciones químicas que sustentan la vida tienen lugar dentro de las células. La transmisión de la información genética, y los restantes trabajos realizados por las células, necesita energía. Los organismos tienen dos necesidades nutricionales básicas:  Adquirir energía química en forma de una molécula denominada ATP (O Trifosfato de adenosina).  Obtener moléculas que puedan utilizarse como bloques elementales de la síntesis de ADN, ARN, proteínas, la membrana celular y otros compuestos grandes y complejos requeridos por la célula.

1.5.- El árbol de la vida La teoría de la evolución por selección natural predice que los biólogos deberían ser capaces de reconstruir un árbol de la vida, un árbol genealógico de los organismos. Si la vida en la Tierra surgió una única vez, entonces ese diagrama describiría las relaciones entre las especies, con una única especie ancestral en la base. ¿Se ha logrado este hito? ¿Qué aspecto tiene? 1.5.1.- Utilización de moléculas para entender el árbol de la vida Carl Woese: Tenía el objetivo de conocer la filogenia (relaciones genealógicas) de todos los organismos. Para esa conocer la distancia entre individuos, se necesitaba estudiar una molécula que estuviera presente en todos los organismos. Se escogió una molécula de ARN, en aquel entonces, no era todavía posible analizar con facilidad las secuencias de ADN. Con los adelantos de la tecnología, hoy en día se utilizan secuencias de ADN para investigar las relaciones filogenéticas. ANÁLISIS DE LA VARIACIÓN GENÉTICA: ¿Por qué podría ser útil el ADN (o ARN) para conocer las relaciones entre organismos? La secuencia de los bloques elementales del ADN es un rasgo que puede cambiar a lo largo de la evolución. Aunque un gen puede codificar un ARN o una molécula de proteína que realiza la misma función en todos los organismos, la secuencia de ADN no es idéntica en todas las especies.

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¿Cómo se analiza esta variación genética? Los bloques elementales del ADN se simbolizan por las letras A, T, C y G. Este código se utiliza para representar las secuencias de ADN.

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P OR EJEMPLO : En plantas terrestres, la molécula podría empezar con la secuencia A-T-A-T-C-G-A-G. En algas verdes estrechamente relacionadas con las plantas terrestres, la misma sección podría contener A-T-A-G-G-A-G. Pero en algas marrones, que no están estrechamente relacionadas con las algas verdes ni con las plantas terrestres, la misma parte de la molécula podría ser A-A-A-T-G-G-A-C.

El paso siguiente en el análisis de la variación genética consiste en considerar que las semejanzas y diferencias en las secuencias implican relaciones entre las especies. El objetivo es producir un diagrama que describa la filogenia de los organismos que se comparan. Un diagrama que describa la historia evolutiva de esta forma se denomina árbol filogenético: Representa las relaciones entre especies. En un árbol filogenético: 1) Las ramas que comparten un ancestro común reciente representan especies estrechamente relacionadas. 2) Las ramas que no comparten ancestros comunes recientes representan especies cuya relación es más distantes. EL ÁRBOL DE LA VIDA ESTIMADO A PARTIR DE DATOS GENÉTICOS : El árbol de la vida se produjo comparando datos de secuencias genéticas. Se indican los tres dominios de la vida derivados del análisis. Los investigadores proponen que la raíz del árbol se extiende hasta el “último ancestro común universal” de las células (LUCA). Existen tres grupos fundamentales de organismos: (1) Bacteria (2) Archaea (3) Eukarya En los Eucariotas («núcleo verdadero») todas las células tienen un componente denominado núcleo. La mayoría de las eucariotas son multicelulares («muchas células»). Dado que las bacterias y arqueobacterias carecen de núcleo se la denominan Procariotas («antes del núcleo»). La gran mayoría de bacterias y arqueobacterias son unicelulares («una sola célula»)

Cuando se publicaron por primera vez los resultados basados en datos genéticos, los biólogos se quedaron asombrados: 

Antes del trabajo de Carl Woese, se pensaba que la división más fundamental entre organismos era la que existía entre procariotas y eucariotas. El linaje de las Archaea era prácticamente desconocido.

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Se creía que los hongos estaban estrechamente relacionados con las plantas. Pero en realidad, están mucho más estrechamente emparentados con los animales.

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Los enfoques tradicionales de clasificación de los organismos – incluido el sistema de cinco reinos divididos en varias clases, órdenes y familias que todos hemos aprendido en el colegio – son imprecisos en muchos casos, porque no reflejan la historia evolutiva real de los organismos correspondientes.

EL ÁRBOL DE LA VIDA ESTIMADO ES UN TRABAJO EN CONSTANTE ACTUALIZACIÓN: El árbol de la vida ayuda a entender las relaciones entre organismos y la historia de las especies. La colocación de ciertas ramas en el árbol provoca encendidos debates. A medida que se amplíen las bases de datos y mejoren las técnicas para analizar esos datos, la forma del árbol de la vida cambiará sin duda.

1.5.2.- ¿Cómo deberían denominarse las ramas del árbol de la vida? En el campo científico, el trabajo de denominar y clasificar los organismos se denomina taxonomía. Todo grupo nominado se denomina taxón. Actualmente se está trabajando en la creación de una taxonomía que refleje con precisión la filogenia de los organismos. Basándose en el árbol de la vida Carl Woese propuso una nueva categoría taxonómica denomina dominio. Los tres dominios de la vida son Bacteria, Archaea y Eukarya. El término phylum se utilizar para referirse a los linajes principales entro de cada dominio. Cada phylum se considera una rama principal del árbol de la vida. NOMBRES CIENTÍFICOS (LATINOS)  En 1735, Carl Linneo: Estableció un sistema para la denominación de las especies que sigue utilizándose hoy día: género y especie. La designación de género y especie se denomina nombre científico.

o Género: La primera parte indica el género de un organismo. Un género está formado por un grupo estrechamente relacionado de especies.

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P OR EJEMPLO : Género Homo. Aunque los humanos son la única especie viva, existen seis organismos extintos asignados al género Homo.

o Especie: El segundo término dentro del nombre de dos partes identifica la especie del organismo. Una especie siempre está precedida por un género.

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P OR EJEMPLO: Especie Sapiens. Los humanos recibieron el nombre de especie sapiens.

LOS NOMBRES CIENTÍFICOS SON A MENUDO ...