Introducción a la Biología: La Ciencia de la Vida

La biología es la ciencia que estudia los organismos vivos, sus características, comportamientos, reproducción e interacciones con el entorno. Utiliza el método científico para explicar fenómenos y comprender la biodiversidad, desde el nivel molecular hasta los ecosistemas.

Orígenes y Teorías sobre la Vida

Se exploran teorías sobre el origen del universo y la vida, como el Big Bang, la formación de coacervados según Oparin y la panspermia, que sugiere un origen extraterrestre. Además, se destacan las condiciones ideales de la Tierra para la vida, como su atmósfera protectora y la presencia de agua líquida.

Historia de la Biología

Desde Aristóteles, considerado el padre de la biología, hasta figuras como Darwin y Mendel, la biología ha evolucionado con descubrimientos clave como la célula, la teoría de la evolución y la genética.

Ramas de la Biología

La biología se subdivide en áreas especializadas como zoología, botánica y microbiología, que a su vez tienen subdisciplinas enfocadas en animales, plantas y microorganismos. También se incluyen ramas afines como genética, ecología y paleontología.

  • Zoología: Estudio de los animales.
  • Botánica: Estudio de las plantas.
  • Microbiología: Estudio de los microorganismos.
  • Genética: Estudio de la herencia y los genes.
  • Ecología: Estudio de las interacciones de los organismos con su entorno.
  • Paleontología: Estudio de la vida prehistórica a través de fósiles.

Características de los Seres Vivos

Los seres vivos comparten características fundamentales:

  • Irritabilidad: Capacidad de responder a estímulos.
  • Adaptación: Ajuste al entorno para sobrevivir.
  • Reproducción: Generación de descendencia.
  • Crecimiento: Aumento de tamaño y complejidad.
  • Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas para mantener la vida.
  • Organización celular: Estructura basada en células.

Importancia de la Biología

La biología es esencial para entender la biodiversidad y promover el cuidado del medio ambiente. Nos proporciona conceptos básicos sobre los ciclos de vida, nichos ecológicos y ciclos biogeoquímicos.

El Método Científico

El método científico, base de la biología, incluye pasos como observación, formulación de hipótesis, experimentación y conclusión, permitiendo explicar fenómenos de manera objetiva y comprobable.

La biología es una disciplina fundamental para comprender la vida y su evolución, así como para proteger nuestro planeta.

Niveles de Organización Biológica

La Materia Viva

La materia viva tiene la capacidad de reproducirse, creando copias de sí misma en todos los niveles de organización. Las células se dividen para formar nuevas células, y los organismos se reproducen sexual o asexualmente para dar lugar a nuevos organismos.

Composición Química de la Materia Viva

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva. El 99% de la masa de la mayoría de las células está constituida por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N).

Bioelementos Primarios

Los bioelementos primarios constituyen aproximadamente el 95% de la masa total y son:

  • Carbono (C): Forma moléculas orgánicas complejas.
  • Hidrógeno (H): Forma grupos funcionales y es parte esencial del agua.
  • Oxígeno (O): Es esencial para la síntesis de ATP en la respiración celular y componente del agua.
  • Nitrógeno (N): Componente de proteínas y ácidos nucleicos.
  • Azufre (S): Se encuentra en los aminoácidos metionina y cisteína.
  • Fósforo (P): Constituyente del ATP, ácidos nucleicos y fosfolípidos.
Bioelementos Secundarios

Los bioelementos secundarios constituyen aproximadamente el 4.5% e incluyen:

  • Magnesio (Mg): Presente en la clorofila y crucial para la replicación del ADN.
  • Calcio (Ca): Participa en la contracción muscular, la transmisión del impulso nervioso y la estructura ósea.
  • Sodio (Na): Transmite impulsos nerviosos, participa en la contracción muscular y en el balance hídrico en la sangre.
  • Potasio (K): Transmite impulsos nerviosos, participa en la contracción muscular y en el balance hídrico en la sangre.
  • Cloro (Cl): Transmite impulsos nerviosos, participa en la contracción muscular y en el balance hídrico en la sangre.
Oligoelementos

Los oligoelementos tienen una proporción inferior al 0.1% e incluyen:

  • Hierro (Fe): Componente de hemoglobina, mioglobinas y citocromos.
  • Litio (Li): Influye en la permeabilidad celular.
  • Flúor (F): Previene la caries dental.
Oligoelementos Adicionales
  • Manganeso (Mn): Interviene en la fotólisis del agua durante la fotosíntesis.
  • Yodo (I): Permite la síntesis de la tiroxina.
  • Cobalto (Co): Forma parte de la vitamina B12.

Biomoléculas o Principios Inmediatos

Las biomoléculas, también llamadas macromoléculas, se basan en la combinación de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se dividen en inorgánicas (agua, sales minerales) y orgánicas (lípidos, carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos). Existen cuatro tipos principales de biomoléculas orgánicas: carbohidratos, ácidos nucleicos, proteínas y lípidos. Una molécula de lípido es un ejemplo de estas biomoléculas.

El Agua: La Molécula Esencial

El agua es la molécula más abundante, representando entre el 70% y el 90% del peso de los organismos. El contenido de agua varía de acuerdo con la edad, el tipo de tejido y la actividad metabólica.

Propiedades del Agua
  • El Agua como Disolvente Universal: Es el líquido que más sustancias disuelve debido a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con sustancias polares. Las sustancias que se disuelven en agua se denominan hidrofílicas, mientras que las que no se mezclan con el agua son hidrófobas.
  • Funciones Relacionadas con la Capacidad Disolvente del Agua: El agua es el medio donde ocurren las reacciones metabólicas.
  • Densidad del Agua en Estado Sólido: En estado sólido, el agua es menos densa que en estado líquido debido a su estructura cristalina abierta. Esto explica por qué el hielo flota en el agua líquida.
  • Importancia de la Densidad del Agua Sólida para la Vida Acuática: El hielo actúa como aislante del frío, manteniendo la temperatura del agua líquida por encima del punto de congelación, lo que permite la vida acuática.
  • Función Termorreguladora del Agua: Debido a su elevado calor específico, el agua es un buen amortiguador frente a los cambios bruscos de temperatura, ayudando a mantener una temperatura interna constante en los seres vivos.
  • Función Refrigerante del Agua: El agua tiene una función refrigerante cuando se evapora de las superficies de plantas y animales terrestres, ayudando a estabilizar la temperatura interna.
  • Cohesión Molecular del Agua: El agua presenta una elevada cohesión molecular, que es la capacidad de moléculas iguales para mantenerse unidas.
  • Funciones Biológicas Derivadas de la Cohesión: Las elevadas fuerzas de cohesión ayudan a mantener la forma, permiten la turgencia de las plantas y tienen una función amortiguadora en las articulaciones.
  • Capilaridad: Consiste en el ascenso del agua por un espacio estrecho, donde la adhesión y la cohesión juegan un papel importante. La adhesión es la capacidad de sustancias diferentes para mantenerse unidas, lo que explica por qué el agua moja las superficies.
  • Funciones Biológicas Relacionadas con la Capilaridad: La capilaridad permite el ascenso de la savia bruta por los vasos leñosos de las plantas y facilita que el agua atraviese los espacios entre las partículas del suelo.
  • Tensión Superficial: Es una propiedad de la superficie líquida en contacto con una fase gaseosa, haciendo que la superficie se comporte como una membrana elástica.
  • Consecuencias de la Tensión Superficial del Agua: La tensión superficial causa que los líquidos formen gotas y permite que algunos animales se desplacen por la superficie del agua.
Propiedades Físico-Químicas y Funciones Biológicas del Agua
  • La gran capacidad disolvente del agua facilita el transporte de sustancias y es el medio donde ocurren las reacciones metabólicas.
  • La elevada cohesión interna del agua contribuye al mantenimiento de la forma y volumen celular, a la turgencia y crecimiento de células vegetales, y actúa como amortiguadora en las articulaciones.
  • La capilaridad (cohesión + adhesión) contribuye al ascenso de la savia bruta por los vasos conductores de las plantas.
Acidez y Basicidad de una Disolución

Una disolución neutra tiene un pH de 7; una disolución ácida, un pH menor que 7; y una disolución básica, un pH mayor que 7. Una solución ácida contiene una sustancia ácida con iones H+, mientras que una solución básica contiene una sustancia básica con iones OH-.

El pH

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia, representando la concentración de iones de hidrógeno. Los números del 0 al 7 indican soluciones ácidas, y del 7 al 14 indican soluciones alcalinas.

Difusión

La difusión es el fenómeno por el cual las moléculas de un gas, líquido o disueltas se mueven continuamente, tendiendo a distribuirse uniformemente en todas direcciones.

Ósmosis

La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana semipermeable desde una solución hipotónica a otra hipertónica.

Presión Osmótica y Fenómenos Osmóticos en las Células
  • Plasmólisis: Es el efecto de salida de agua de la célula al exterior por ósmosis, lo que puede llevar a la deshidratación y muerte celular.
  • Turgencia: Es el efecto de entrada de agua a la célula por ósmosis, causando que la célula se hinche y pueda llegar a estallar.
Soluciones Amortiguadoras, Tampones o Buffer

Los organismos vivos utilizan sistemas tampón o buffer para mantener el pH constante, ya que no soportan variaciones bruscas del pH. Los sistemas tampón consisten en soluciones de un ácido débil y su base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones, respectivamente.

Carbohidratos

Los carbohidratos son la fuente de energía más importante del cuerpo, proporcionando 4 calorías por gramo. Están compuestos por C, H y O, con los dos últimos en una relación de 2:1, similar a la del agua. Se desempeñan en la dieta como nutrientes energéticos o combustibles.

Nomenclatura de los Carbohidratos

Los carbohidratos también se conocen como glúcidos o hidratos de carbono. Son la base de la energía viva en la Tierra y provienen de la fotosíntesis. Son los nutrientes orgánicos principales del tejido vegetal (60-90%).

Funciones de los Carbohidratos
  • Energéticas: El glucógeno en animales y el almidón en vegetales, bacterias y hongos son ejemplos de carbohidratos energéticos.
  • De reserva: Se almacenan como almidón en vegetales y glucógeno en animales, ambos degradables a glucosa.
  • Compuestos estructurales: Como la celulosa en vegetales, bacterias y hongos, y la quitina en el cefalotórax de crustáceos e insectos.
  • Precursores: Son precursores de ciertos lípidos, proteínas y factores vitamínicos.
  • Señales de reconocimiento: Intervienen en procesos de reconocimiento celular, aglutinación, coagulación y reconocimiento de hormonas.
Clasificación de los Carbohidratos

Por estructura química, se dividen en azúcares y no azúcares. Los azúcares más simples son los monosacáridos, que se dividen en triosas, tetrosas, pentosas y hexosas. Los monosacáridos pueden unirse para formar di-, tri- o polisacáridos.

No Azúcares

Los no azúcares tienen más de 10 monosacáridos y no poseen sabor dulce. Se dividen en homopolisacáridos (unidades de monosacáridos idénticos) y heteropolisacáridos (mezclas de distintos monosacáridos).

Monosacáridos

Están formados por un solo azúcar, como glucosa, fructosa, galactosa, ribosa y desoxirribosa. La glucosa se encuentra en sangre y líquido extracelular; la fructosa, en los frutos; la ribosa, en el ARN; y la desoxirribosa, en el ADN.

Pentosas

Son monosacáridos de 5 carbonos, incluyendo L-arabinosa, D-xilosa y D-ribosa. Las pentosas más importantes desde el punto de vista nutricional son la D-ribosa, la D-desoxirribosa y el ribitol. La D-ribosa y la D-desoxirribosa son componentes esenciales del ARN y del ADN, respectivamente.

Hexosas
  • Glucosa: Proviene de los alimentos o es producida por el hígado, encontrándose en el torrente sanguíneo y dentro de las células.
  • Fructosa: Se encuentra en su forma libre en los jugos de vegetales, frutas y en la miel.
  • Galactosa: No existe en forma libre en la naturaleza; se presenta como un componente de la lactosa.
Disacáridos

Son dos monosacáridos unidos por condensación, liberando una molécula de agua.

  • Lactosa: Se encuentra en la leche (glucosa y galactosa).
  • Sacarosa: Se encuentra en frutos (glucosa y fructosa).
  • Maltosa: Se obtiene de la degradación del almidón (glucosa y glucosa).
Polisacáridos

Son largas cadenas de monosacáridos, usados como reservas de energía por plantas y animales. Los más comunes en los seres vivos son celulosa, almidón, glucógeno y quitina.

Celulosa

Formada por glucosas unidas fuertemente, se encuentra en las paredes celulares de las plantas, proporcionando estructura, soporte y protección. Los humanos no pueden obtener energía de la celulosa debido a la falta de enzimas necesarias para descomponerla.

Almidón

Son cadenas de glucosa unidas linealmente, almacenadas en plantas, granos, semillas y tubérculos. Es soluble en agua.

Glucógeno

Son cadenas de glucosa ramificadas, almacenadas como reserva en los animales. Es muy soluble.

Quitina

Son cadenas de N-acetil-glucosamina que forman el exoesqueleto de artrópodos, hongos, etc.

Otros Polisacáridos: Hemicelulosa

Compuesta principalmente por unidades de xilosa, pero puede contener hexosas y azúcares ácidos. No son fácilmente digeribles, excepto por rumiantes debido a la acción de microorganismos.

Gomas

Se encuentran en los vegetales y son compuestos muy complejos, produciendo una variedad de monosacáridos y azúcares ácidos al ser hidrolizados. Un ejemplo es la goma arábiga (goma de acacia).

Mucílagos

Son carbohidratos complejos presentes en ciertas plantas y semillas. Muchas algas, especialmente las marinas, producen mucílagos, los cuales son solubles en agua caliente y forman un gel al enfriarse.

Agar

Es un polímero de la galactosa, obtenido del alga marina roja (familia Gelidium). El ácido algínico, derivado de las algas pardas (familia Laminaria), es otro ejemplo.

Lípidos

Son biomoléculas formadas por C, H y en menor proporción O, insolubles en agua y solubles en benceno y cloroformo. Proporcionan energía de almacenamiento o mantenimiento (9 kcal/gr) y son componentes estructurales de las membranas. Forman barreras de protección y aislamiento. Recubren las fibras nerviosas (mielina) para la transmisión de impulsos eléctricos.

Funciones de los Lípidos
  • Reserva energética: Principal reserva de energía de animales (9.4 kcal/gr).
  • Estructural: Forman bicapas lipídicas de membranas celulares y proporcionan consistencia a órganos.
  • Protección y aislamiento: Protegen estructuras o son aislantes térmicos, como el tejido adiposo.