La Función de Nutrición: Un Pilar de la Biología

Nutrición en el Reino Vegetal

El reino Plantas se caracteriza por ser organismos pluricelulares autótrofos y por poseer una pared vegetal de celulosa.

La nutrición vegetal se define como autótrofa fotosintética: elaboran materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía solar. Esto es posible gracias a los cloroplastos que contienen pigmentos fotosintéticos.

Clasificación de las Plantas según su Organización

• Plantas con organización tipo talo (Talofitas): No poseen auténticos tejidos ni órganos (ej. musgos y hepáticas). Están muy ligadas al agua y siempre viven en ambientes húmedos. Las briofitas fueron los primeros vegetales en colonizar el medio terrestre y no necesitan sistemas de transporte complejos.
• Plantas con organización tipo cormo (Cormofitas): Poseen tejidos estructurados en órganos especializados para la absorción, transporte y realización de la fotosíntesis. Este avance evolutivo les ha permitido la independencia del medio acuático a las plantas vasculares.

Obtención y Transporte de Nutrientes en Plantas

Absorción del Agua

Se realiza a través de las raíces, específicamente mediante células epidérmicas especializadas llamadas pelos absorbentes.

El proceso por el cual el agua pasa a los pelos absorbentes es la ósmosis. Para que esto ocurra, la concentración de solutos en el suelo debe ser menor que la que tienen las células epidérmicas.

Tras penetrar las células epidérmicas, el agua avanza por los espacios intercelulares y atraviesa paredes de celulosa y parénquima hasta alcanzar el xilema, desde donde comienza a ascender por el tallo.

Entrada de las Sales Minerales

La raíz es el órgano encargado de incorporar las sales minerales. Para su entrada, las sales deben estar disociadas en iones o presentes como oligoelementos.

Las sales entran por la raíz mediante transporte activo, moviéndose desde la disolución menos concentrada a la más concentrada. En este proceso intervienen proteínas transportadoras localizadas en la membrana celular de la raíz.

La incorporación de las sales se produce mediante dos mecanismos:

• Entrada vía apoplástica (vía B): Las sales entran disueltas en agua y pasan a través de espacios intercelulares y entre las paredes vegetales de celulosa del parénquima cortical (apoplasto). Al llegar a la Banda de Caspari, los iones son seleccionados y penetran por transporte activo, mientras que el agua lo hace por ósmosis.
• Entrada vía simplástica (vía A): Las sales entran directamente a las células mediante transporte activo. Una vez en el citoplasma (simplasto), las sales circulan a través de los plasmodesmos.

Los compuestos nitrogenados solo pueden ser absorbidos en forma de nitratos. Cuando el suelo carece de ellos, algunas bacterias simbióticas asociadas a las raíces son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.

Al conjunto formado por agua y sales minerales se le denomina savia bruta.

Transporte de la Savia Bruta

La teoría de transpiración-tensión-cohesión, enunciada en el siglo XIX, explica el ascenso de la savia bruta por los tallos, que debe estar sometida a grandes presiones.

Se ha comprobado la existencia de un gradiente de potenciales hídricos, cuya causa radica en la variación progresiva de las concentraciones de soluto.

Los procesos que posibilitan el ascenso de la savia son:

• Transpiración del agua en las hojas: La salida del agua a través de los estomas genera una presión negativa llamada tensión, que aspira el agua hacia arriba. Este ascenso se mantiene gracias a la cohesión de las moléculas de agua. En zonas tropicales, la liberación de gotas de agua por humedad se denomina gutación.
• Presión radicular: Crea un flujo de agua entre el suelo y la raíz.
• Capilaridad: Permite el ascenso por tubos finos debido a la cohesión entre moléculas de agua y la adhesión de estas a las paredes del tubo.

Incorporación de los Gases

Las plantas necesitan incorporar oxígeno para la respiración y CO2 para la fotosíntesis. Absorben ambos gases de la atmósfera mediante tres tipos de estructuras:

1. Pelos radicales: Situados en la raíz, captan los gases disueltos en el agua.
2. Estomas: Estructuras de la epidermis especializadas en el intercambio gaseoso. Cada estoma está formado por dos células oclusivas que regulan el paso de gases a través del ostiolo. La turgencia de estas células depende de la entrada de agua desde las células adyacentes.

Factores que Influyen en la Apertura Estomática

• Cambios en la concentración de iones potasio (K+): La entrada de K+ hace que las células oclusivas se vuelvan hipertónicas y absorban agua por ósmosis; su salida las vuelve hipotónicas y se vacían de agua.
• Cambios de exposición a la luz: La entrada de iones K+ se activa por la luz, provocando la apertura diurna y el cierre nocturno.
• Cambios en la concentración de CO2: Por la noche, al predominar la respiración, el CO2 se acumula y provoca el cierre estomático.
• Altas temperaturas: Provocan el cierre del estoma para impedir pérdidas excesivas de agua.

3. Lenticelas: Orificios en los tallos leñosos que permiten la penetración de los gases.

La Fotosíntesis

Proceso anabólico y biosintético mediante el cual las plantas transforman la materia inorgánica en materia orgánica utilizando la energía luminosa.

FÓRMULA GENERAL:

$$6 ext{CO}_2 + 6 ext{H}_2 ext{O} + ext{Energía Lumínica} ightarrow ext{C}_6 ext{H}_{12} ext{O}_6 + 6 ext{O}_2$$

Importancia de la Fotosíntesis

• Sintetiza la materia orgánica: Utiliza el CO2 atmosférico, incorporándolo a la materia viva e iniciando la cadena trófica. Por ello, las plantas son organismos productores.
• Transforma la energía solar en energía química.
• Libera oxígeno: Es el único proceso biológico que consume CO2 y libera O2, esencial para la respiración de los organismos.

Tiene lugar en los cloroplastos, orgánulos celulares que contienen pigmentos fotosintéticos (como clorofilas a y b y carotenoides) capaces de absorber la energía luminosa.

Factores Ambientales que Influyen en la Eficacia Fotosintética

• Intensidad lumínica: A mayor intensidad, mayor actividad fotosintética (hasta un límite).
• Concentración de CO2: Incrementa el rendimiento fotosintético.
• Temperatura: Si es baja, la fotosíntesis apenas se realiza.

Proceso Fotosintético

Se divide en dos fases:

• Fase Luminosa: Requiere luz y tiene lugar en los tilacoides.
  1. Los pigmentos fotosintéticos captan la energía luminosa y se liberan electrones, formando energía química (ATP y NADPH).
  2. Se produce la fotólisis del agua.
  3. Los hidrógenos (H) obtenidos son recogidos y confieren poder reductor.
  4. El oxígeno producido se libera a la atmósfera.
• Fase Oscura: No necesita luz directamente y tiene lugar en el estroma del cloroplasto. En ella, el CO2 se incorpora para formar moléculas de glucosa utilizando la energía y el poder reductor generados en la fase luminosa. Este proceso se conoce como Ciclo de Calvin.

Transporte de la Savia Elaborada

El transporte se realiza a través del floema, compuesto por células vivas comunicadas por placas cribosas.

La solución transportada se denomina savia elaborada y está constituida por agua, sacarosa y aminoácidos.

El proceso de reparto se denomina translocación. El transporte se realiza por flujo por presión, que implica un gradiente de presión entre las fuentes (zonas productoras) y las sumideros (zonas donde se consumen los productos).

La velocidad de circulación varía según la época del año; en otoño, las placas se taponan con calosa y la velocidad es mínima.

Mecanismo de Circulación de la Savia Elaborada

1. La savia pasa por transporte activo desde las células productoras a las acompañantes.
2. De las células acompañantes se desplaza a las células cribosas a través de plasmodesmos.
3. Dentro de los vasos, la savia circula atravesando las placas cribosas.
4. Los tubos incrementan su presión hidrostática (fuerza que mueve la savia).
5. Al perder hidratos, las células se vuelven hipotónicas, originando el paso del agua del floema al xilema.

Excreción en Vegetales

Características de los mecanismos de excreción en plantas:

• Se eliminan pequeñas cantidades de productos de excreción.
• Parte de estos metabolitos son reutilizados.
• Algunos productos de excreción pueden considerarse secreciones.

Los principales productos de excreción vegetal son sustancias volátiles.

Nutrición Heterótrofa en Vegetales

• Plantas carnívoras: Son fotosintéticas y suelen vivir en medios pobres en nitrógeno.
• Plantas parásitas: No son fotosintéticas y viven sobre otras plantas, absorbiendo su savia elaborada.
• Plantas semiparásitas: Son fotosintéticas y poseen haustorios (estructuras de anclaje y absorción).

Función de Nutrición en los Animales

La Digestión en los Animales

El aparato digestivo de los animales consiste generalmente en un tubo con un orificio de entrada (boca) y otro de salida (ano), formado por varias regiones donde se llevan a cabo distintas fases del proceso.

Fases de la Digestión

• Ingestión: Forma de incorporar el alimento desde el exterior. Algunos animales acuáticos filtran pasivamente partículas en suspensión; los que capturan alimento activamente poseen una cavidad bucal.
• Digestión: Transformación del alimento en moléculas más sencillas. La digestión química se realiza mediante enzimas digestivas.

Tipos de Digestión Química

• Intracelular: Se da en el interior de las células (propia de animales sencillos). El alimento entra en la célula mediante una vacuola donde los lisosomas vierten su contenido enzimático.
• Extracelular: Se da fuera de la célula, dentro de un tubo digestivo.
• Mixta: Se realiza en dos etapas: primero digestión extracelular y luego se completa en el interior de las células.

Para facilitar el ataque enzimático, algunos organismos realizan digestión mecánica (fragmentación y trituración).

• Absorción: Incorporación de nutrientes al organismo.
• Egestión: Expulsión de productos no asimilados por la digestión, generalmente por el ano.

Aparato Digestivo en Invertebrados

La digestión extracelular en los animales más primitivos fue probablemente micrófaga (partículas en suspensión). El paso a la alimentación macrófaga (partículas mayores) impulsó el desarrollo del tubo digestivo.

Ejemplos por Filo

• Poríferos: Pared perforada por poros inhalantes que conducen el agua al atrio, recubierto de coanocitos (digestión intracelular). Los desechos se expulsan por el ósculo.
• Cnidarios: Poseen un único orificio que funciona como boca y ano. Sus tentáculos capturan presas mediante cnidoblastos (que contienen cnidocitos). Una vez en el atrio, se realiza una digestión extracelular parcial (digestión mixta).
• Anélidos: Tubo digestivo con dos orificios (boca y ano). Se distinguen faringe, buche, molleja e intestino (digestión extracelular).
• Moluscos: Aparato formado por esófago, estómago e intestino, con glándulas anexas como el hepatopáncreas (digestión extracelular). Los gasterópodos poseen la rádula (para raspar alimento); los cefalópodos atrapan presas con tentáculos, y los bivalvos filtran partículas.
• Artrópodos: Su aparato digestivo incluye boca, esófago, buche, molleja, estómago, intestino y ano. Han desarrollado glándulas salivales y algunos crustáceos poseen un molinillo gástrico triturador.
• Equinodermos: Los erizos de mar tienen la linterna de Aristóteles (aparato masticador). Tienen un esófago corto comunicado con el estómago, y el intestino desemboca en un orificio anal dorsal.

Aparato Digestivo en Vertebrados

El tubo digestivo consta de cavidad bucal, faringe, esófago, estómago, intestino medio, intestino posterior y ano.

Cavidad Bucal

Inicio de la digestión mecánica y química.

• Pico: Estructura externa de naturaleza córnea (aves).
• Dientes: En peces, anfibios y reptiles sirven para retener; en mamíferos, tienen función masticadora.
• Glándulas salivares: Segregan saliva, que contiene agua y mucina (humedecer y lubricar), amilasa (para el almidón) y lisozima (destruye bacterias).
• Lengua: En vertebrados terrestres es móvil y facilita la deglución.

Faringe

Conducto musculoso posterior a la cavidad bucal que empuja el bolo alimenticio hacia el esófago (deglución). Los vertebrados terrestres poseen un repliegue llamado epiglotis para evitar el paso de alimento a la tráquea.

Esófago

El alimento avanza gracias a los movimientos peristálticos hasta el estómago. Algunas especies presentan una dilatación lateral llamada buche.

Estómago

Dilatación que retiene el alimento. Está tapizado por una mucosa con glándulas que segregan mucina, pepsina (rompe polipéptidos) y HCl (genera el pH necesario para la acción de la pepsina y destruye bacterias). El bolo se convierte en quimo.

Estómago de Rumiantes

Dividido en cuatro cámaras:

• Panza: Contiene microorganismos simbióticos que descomponen celulosa.
• Redecilla: El alimento fermentado se devuelve a la boca para ser rumiado.
• Libro u omaso: El alimento ya triturado absorbe agua.
• Cuajar o abomaso: Actúan las enzimas digestivas verdaderas.

Intestino Medio

Tubo que se comunica con el estómago por el píloro. Sus funciones principales son la digestión química final y la absorción.

Digestión en el Intestino

Finaliza la digestión química gracias a las secreciones del hígado y páncreas:

• Jugo intestinal: Producido por glándulas de la mucosa intestinal.
• Jugo pancreático: Segregado por el páncreas, contiene bicarbonato sódico que neutraliza el HCl estomacal.
• Bilis: Producida por el hígado y almacenada en la vesícula biliar; emulsiona las grasas. La bilis y el jugo pancreático alcanzan el duodeno a través de los conductos colédoco y pancreático.

Al finalizar la digestión, el quimo se transforma en quilo, compuesto por agua, productos resultantes de la digestión y restos no digeridos.

Tabla de Jugos Digestivos

Absorción

Los nutrientes son absorbidos por la pared del intestino e incorporados al torrente sanguíneo. Para aumentar la superficie de absorción, el intestino presenta vellosidades intestinales y la mucosa tiene microvellosidades.

Mecanismos de Absorción de Nutrientes

• Transporte activo: Requiere energía; transporta glucosa y aminoácidos.
• Difusión facilitada: Requiere proteína transportadora y gradiente de concentración; transporta fructosa.
• Difusión simple: Requiere gradiente de concentración; transporta sales minerales, vitaminas, ácidos grasos y glicerina.

Los ácidos grasos y la glicerina forman complejos lipoproteicos llamados quilomicrones.

Intestino Posterior

Se comunica con el intestino medio por la válvula ileocecal (similar al colon y recto). Su función principal es absorber agua; los residuos se compactan y se expulsan mediante la defecación o egestión.

Circulación y Transporte en Animales

Las células de los tejidos animales están bañadas por un líquido intersticial, que constituye el medio interno. Los animales más sencillos realizan el intercambio por difusión.

El aparato circulatorio es un sistema de tubos por cuyo interior circula un líquido que forma parte del medio interno. El oxígeno es transportado por pigmentos respiratorios que contienen un átomo metálico.

El correcto funcionamiento del medio interno requiere mantener su volumen y composición química (homeostasis).

Componentes del Aparato Circulatorio

• Fluido circulante: Transporta sustancias (agua, sales, moléculas). Tipos:
  • Hidrolinfa: (Equinodermos) Contiene células fagocitarias defensivas.
  • Hemolinfa: (Invertebrados) Contiene células defensivas y el pigmento respiratorio hemocianina.
  • Sangre: (Anélidos y vertebrados) Formada por plasma, glóbulos blancos, glóbulos rojos (con hemoglobina transportadora) y plaquetas.
  • Linfa: Formada por plasma y linfocitos.
• Corazón: Órgano que impulsa los fluidos mediante contracción (sístole) y dilatación (diástole). Tipos:
  • Tubulares (una sola cámara).
  • Accesorios (localizados en zonas concretas).
  • Tabicados (divididos en dos o más cámaras).
• Vasos: Tubos por donde circulan los fluidos:
  • Arterias: Llevan sangre desde el corazón a los órganos.
  • Venas: Llevan sangre de retorno al corazón.
  • Capilares: Vasos muy finos donde ocurre el intercambio de sustancias.

Modelos de Aparato Circulatorio

Aparato Circulatorio Abierto

Los vasos no se conectan mediante capilares. Estos animales presentan una cavidad denominada hemocele por donde circula la hemolinfa. Es propio de artrópodos y la mayoría de moluscos. Los equinodermos carecen de corazón y presentan un sistema de lagunas conectado al sistema ambulacral.

Aparato Circulatorio Cerrado

Los vasos están conectados por una red de capilares. La circulación se desarrolla así:

1. El corazón bombea la sangre hacia las arterias hasta los capilares.
2. Los capilares facilitan la filtración del plasma, permitiendo el intercambio de gases y nutrientes.
3. Los capilares se reúnen en venas cada vez mayores que vierten la sangre de nuevo al corazón.

Evolución del Aparato Circulatorio

• Simple: Un único circuito; la sangre pasa una sola vez por el corazón.
• Doble: Dos circuitos; la sangre pasa dos veces por el corazón para completar un recorrido. Puede ser:
  • Incompleta: Hay mezcla de sangre oxigenada y desoxigenada.
  • Completa: No hay mezcla de sangre.

Circulación en Vertebrados

• Peces: Circulación simple y completa.
• Anfibios: Circulación doble e incompleta.
• Reptiles: Circulación doble e incompleta (excepto cocodrilos).
• Aves y Mamíferos: Circulación doble y completa.

Circulación en el Corazón de los Mamíferos

La aurícula derecha recibe la sangre desoxigenada, que pasa al ventrículo derecho y de ahí al circuito pulmonar donde se oxigena. Esta sangre regresa por cuatro venas pulmonares a la aurícula izquierda, pasa al ventrículo izquierdo, que la expulsa por la arteria aorta al resto del cuerpo.

El ciclo cardíaco es la alternancia de los movimientos de sístole (contracción) y diástole (dilatación) del corazón.

El Sistema Linfático

Propio de vertebrados, está formado por:

• Linfa: Líquido parecido al plasma sanguíneo; carece de plaquetas y glóbulos rojos, pero tiene gran cantidad de glóbulos blancos.
• Vasos linfáticos: Capilares terminales que desembocan en el sistema sanguíneo, recuperando el fluido extracelular filtrado desde los capilares sanguíneos.
• Ganglios linfáticos: Agrupaciones celulares situadas a lo largo de los vasos linfáticos con función defensiva.
• Órganos linfoides: Masas celulares destacando el bazo, el timo y las amígdalas.

Respiración en Animales

• Respiración celular: Conjunto de reacciones químicas para obtener energía dentro de las células.
• Respiración externa: Intercambio de gases con el medio, cuya finalidad es la captación de O2 y la expulsión de CO2. En animales sencillos, este intercambio se produce por difusión.

Características de las Estructuras Respiratorias

1. Superficie de intercambio de gases amplia.
2. Paredes delgadas que favorecen la difusión.
3. Superficie siempre húmeda.
4. Gran capilarización interna.
5. Fluido circulatorio con pigmentos respiratorios.

Modelos de Respiración Animal

Respiración Cutánea

Propia de animales que viven en ambientes acuáticos o muy húmedos. El intercambio de gases se realiza a través de la piel.

Respiración Branquial

Propia de animales acuáticos. Las branquias son estructuras respiratorias compuestas por láminas con una amplia red de capilares.

• Branquias externas: Más primitivas. Estos animales deben estar en movimiento constante para crear corrientes, ya que carecen de sistema de ventilación.
• Branquias internas: Aparece un mecanismo de ventilación.
  • Moluscos: Protegidas por la cavidad paleal.
  • Crustáceos: Protegidas por cámaras que forman parte del caparazón.
  • Peces cartilaginosos: El agua entra por la boca (espiráculos) y sale por las hendiduras branquiales.
  • Peces óseos: Protegidas por el opérculo. La sangre circula con un mecanismo de contracorriente.

Respiración Traqueal

Propia de artrópodos terrestres. Consiste en una serie de tubos llamados tráqueas que se comunican con el exterior por orificios llamados espiráculos. Las tráqueas se ramifican en traqueolas. La ventilación se produce por la apertura y cierre de los espiráculos.

Respiración Pulmonar

Propia de anfibios adultos, reptiles, aves y mamíferos. Se lleva a cabo mediante pulmones (cavidades internas vascularizadas donde ocurre el intercambio gaseoso).

• Pulmones de difusión: Carecen de mecanismos de ventilación activos. Propios de arácnidos y gasterópodos.
• Pulmones de ventilación: Dos pulmones en forma de saco que se comunican con el exterior por las vías respiratorias (fosas nasales, faringe, laringe, tráquea y bronquios). Se realizan movimientos de inspiración y espiración.
  • Anfibios: En estado larvario tienen branquias; de adultos presentan pulmones, además de respiración bucofaríngea o cutánea.
  • Reptiles: Tienen pulmones.
  • Aves: Poseen expansiones denominadas sacos aéreos conectados a bronquios que terminan en parabronquios.
  • Mamíferos: Tienen pulmones con alvéolos, conectados por bronquios y bronquiolos.

Excreción en los Animales

Consiste en la eliminación de los productos de desecho del metabolismo celular.

Productos de Desecho en los Animales

• Dióxido de carbono: Producto de la respiración celular, se expulsa por las estructuras respiratorias.
• Agua y sales minerales: Necesidad de eliminar su exceso para la osmorregulación.
• Productos nitrogenados: Derivados del metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos. Se clasifican según la molécula excretada:
  • Amoniotélicos: Excretan amoniaco (muy tóxico).
  • Ureotélicos: Excretan productos nitrogenados en forma de urea.
  • Uricotélicos: Excretan nitrógeno en forma de ácido úrico (poco soluble).

Sistemas de Excreción de los Invertebrados

Los animales más sencillos excretan por difusión. Los demás invertebrados poseen órganos específicos:

• Protonefridios: Platelmintos. Tubos ramificados con células ciliadas o flageladas.
• Metanefridios: Anélidos y moluscos. Estructuras tubulares abiertas por dos extremos (nefrostoma y nefridioporo).
• Tubos de Malpighi: Insectos. Tubos cerrados en un extremo y abiertos al intestino. Existen glándulas rectales en el intestino posterior.
• Glándula verde: Crustáceos. Saco que filtra las sustancias de desecho.

Excreción en Vertebrados

El órgano principal de excreción son los riñones, que contienen nefronas.

Aparato Excretor

Formado por riñones que filtran la sangre que llega por la arteria renal. El filtrado (orina) sale al exterior por los uréteres, se almacena en la vejiga urinaria, y la sangre limpia sale por la vena renal.

En el riñón se distinguen las siguientes regiones:

• Cápsula renal: Capa de tejido conjuntivo que rodea el riñón.
• Corteza: Contiene la región filtrante de la nefrona.
• Médula: Dividida en pirámides renales.

Estructura de la Nefrona

Donde se produce el filtrado de la sangre y la formación de orina. Está formada por:

• Corpúsculo de Malpighi: Ubicado en la corteza renal. Formado por la cápsula de Bowman, rodeada por el glomérulo.
• Túbulo contorneado proximal: Situado en la corteza renal, sale de la cápsula de Bowman.
• Asa de Henle: Continuación del túbulo proximal que penetra en la médula renal.
• Túbulo contorneado distal: Situado en la corteza renal, continuación del asa de Henle, y se prolonga hasta alcanzar la pelvis renal.

Formación de la Orina

1. Filtración glomerular: Paso de la sangre por diferencia de presión a través del glomérulo.
2. Reabsorción tubular: La mayor parte del agua filtrada es reabsorbida por los túbulos de la nefrona y pasa nuevamente a la sangre a través de los capilares peritubulares.
3. Secreción tubular: Paso de ciertos iones desde la sangre al interior de la nefrona (principalmente en el túbulo distal).

La orina producida se acumula en los túbulos colectores, que confluyen en la pelvis renal para salir por el uréter. La orina también sirve como mecanismo de osmorregulación (regulación de la presión osmótica del medio).

Otros Mecanismos de Excreción

• Glándulas de la sal: Eliminan el exceso de sal (común en organismos marinos).
• Glándulas calcíferas: Propia de anélidos, expulsan el exceso de calcio.
• Glándula coxal: Situada en el cefalotórax de algunos artrópodos, filtra sustancias del hemocele.
• Vesícula biliar: Elimina bilirrubina en vertebrados.
• Glándulas sudoríparas: Situadas en la capa profunda de la piel, contribuyen a la eliminación de toxinas y a la termorregulación.