INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA

1. El Origen de la Vida

Diversas teorías han intentado explicar el surgimiento de la vida en la Tierra:

• Teoría Sobrenatural: (No científica, basada en creencias).
• Teoría de la Generación Espontánea: Afirma que los organismos vivos pueden surgir a partir de materia no viva. Durante miles de años se creyó y utilizó para explicar la aparición de la vida en la Tierra.
• Teoría de la Panspermia: Sostiene que la vida llegó a la Tierra desde el espacio exterior, transportada por materiales a bordo de meteoritos.
• Teoría de la Síntesis Prebiótica: Postula que la vida surgió a partir de la unión de moléculas básicas para la vida, que se formaron inicialmente mediante reacciones químicas entre los componentes que abundaban en la Tierra primitiva.

Teoría de Oparin y el Experimento Miller-Urey

El experimento que demostró la validez de la síntesis prebiótica fue realizado en 1953 por los bioquímicos estadounidenses Stanley L. Miller y Harold C. Urey. En este experimento, se recreó la composición química de la Tierra primitiva para observar si sus componentes reaccionaban entre sí.

Tras el experimento, se comprobó la aparición de varias moléculas básicas para la vida, como algunos aminoácidos, esenciales para la síntesis de las proteínas que constituyen las membranas celulares.

El experimento consistió, básicamente, en someter una mezcla de metano, amoníaco, hidrógeno y agua a descargas eléctricas de 60.000 voltios. Como resultado, se observó la formación de moléculas orgánicas, entre las que destacan ácido acético, ADP-Glucosa, y los aminoácidos glicina, alanina, ácido glutámico y ácido aspártico, utilizados por las células como pilares básicos para sintetizar sus proteínas.

Pregunta de tipo test: ¿Qué diferencia existe entre las moléculas biológicas y las no biológicas?

Evolución hacia la Célula

Se piensa que el momento clave en el nacimiento de la célula fue la aparición de una membrana biológica. Una membrana permite separar el medio interno del medio externo, posibilitando la existencia de un metabolismo. Algunos lípidos disueltos en agua tienen tendencia a formar membranas espontáneamente.

Las primeras células habrían sido heterótrofas anaerobias, utilizando como alimento las moléculas orgánicas presentes en el medio. Cuando estas moléculas comenzaron a agotarse, pudo ocurrir una crisis ecológica, que se superó cuando:

1. Algunas células aprendieron a fabricar moléculas orgánicas mediante la fijación y reducción del CO2, iniciando la fotosíntesis (anaeróbica) como un proceso de nutrición autótrofa.
2. El uso del agua como donante de electrones en la fotosíntesis resultó en la liberación de O2, transformando la atmósfera reductora en la atmósfera oxidante actual.
3. Esta»revolución del oxígen» causó la muerte de muchas formas celulares, pero otras se adaptaron y aprendieron a utilizarlo en sus reacciones metabólicas, dando lugar a la respiración aerobia, lo que implica una nutrición heterótrofa aerobia.

Estas formas celulares iniciales presentan organización procariota y son de pequeño tamaño. A partir de ellas, se postula la evolución de las células eucariotas.

El Origen de la Célula Eucariótica (Pregunta breve)

El siguiente gran paso evolutivo fue la aparición de las eucariotas hace unos 1.500 millones de años.

Teoría Endosimbiótica (Lynn Margulis, 1968)

Esta teoría propone que una célula procariota primitiva, que había perdido su pared celular permitiéndole aumentar de tamaño, englobó a otras células procarióticas, estableciendo una relación endosimbionte:

• Algunas células englobadas fueron precursoras de los peroxisomas (capaces de eliminar sustancias tóxicas generadas por el aumento de oxígeno).
• Otras fueron las precursoras de las mitocondrias.
• Finalmente, algunas células procariotas fueron las precursoras de los cloroplastos.

La incorporación intracelular de estos procariotas proporcionó dos características fundamentales a la célula huésped:

1. La capacidad de un metabolismo oxidativo, permitiendo la transición de anaerobia a aerobia.
2. La posibilidad de realizar la fotosíntesis, convirtiéndose en un organismo autótrofo capaz de utilizar el CO2 como fuente de carbono para producir moléculas orgánicas.

Esta relación ventajosa fue seleccionada por la evolución.

Pruebas a favor de la Teoría Endosimbiótica

• El tamaño de las mitocondrias es similar al de algunas bacterias.
• Las mitocondrias y los cloroplastos contienen ADN bicatenario circular covalentemente cerrado, al igual que los procariotas.
• Están rodeados por una doble membrana, lo que concuerda con la fagocitosis: la membrana interna sería la plasmática original de la bacteria, y la externa correspondería a la vesícula que la englobó.
• Las mitocondrias y los cloroplastos se dividen por fisión binaria, como los procariotas (a diferencia de la mitosis eucariota).
• En mitocondrias y cloroplastos, los centros de obtención de energía se sitúan en las membranas, al igual que ocurre en las bacterias.

Adicionalmente, los tilacoides encontrados en cloroplastos son similares a los sistemas elaborados de endomembranas presentes en cianobacterias.

2. Niveles de Organización

La biología se ocupa de estudiar las jerarquías o niveles de organización que abarcan desde la célula hasta los ecosistemas. Este concepto implica la existencia de diversos niveles de complejidad en el universo, permitiendo estudiar la biología a múltiples escalas, desde el funcionamiento molecular hasta las comunidades de organismos.

La Teoría Celular, en su concepción actual, puede resumirse en cuatro proposiciones fundamentales:

1. Todo ser vivo está formado por una o más unidades básicas denominadas células.
2. Toda célula procede de otra preexistente, por división de esta (Biogénesis).
3. Toda célula posee la maquinaria necesaria para mantener su propia existencia; es capaz de mantenerse viva por sí misma. Las reacciones químicas y los cambios de energía de un organismo, incluyendo la biosíntesis, ocurren en la célula.
4. Cada célula contiene el material hereditario total (genoma), el cual es donado por la célula madre a las células hijas.

3. Tipos de Células

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Células Procariotas

Son células de pequeño tamaño, generalmente entre 1 y 10 µm. Su material genético se localiza en una región denominada nucleoide, sin estar rodeado por una membrana nuclear. Carecen de orgánulos membranosos como las mitocondrias. La división celular se realiza principalmente por fisión binaria, sin formación de huso mitótico ni microtúbulos. Presentan sistemas sexuales muy escasos, limitados al intercambio genético por conjugación. La mayoría son unicelulares y no forman tejidos. Metabólicamente pueden ser anaerobias estrictas, facultativas, microaerófilas o aerobias. Las enzimas responsables de la oxidación de moléculas orgánicas se asocian a las membranas. Cuando presentan movilidad, sus flagelos son simples y están formados por flagelina. En las especies fotosintéticas, las enzimas fotosintéticas están ligadas a las membranas celulares.

Células Eucariotas

Son generalmente de mayor tamaño, entre 10 y 100 µm, y se caracterizan por poseer un núcleo verdadero rodeado por una membrana, donde el material genético se organiza en cromosomas formados por ADN y proteínas. La división celular tiene lugar por mitosis, con la formación de un huso mitótico y microtúbulos.

Los sistemas sexuales son frecuentes, con alternancia de fases haploides y diploides mediante meiosis y fecundación. Muchas células eucariotas forman organismos pluricelulares con tejidos diferenciados. Son casi exclusivamente aerobias y poseen mitocondrias, donde se localizan las enzimas respiratorias. Los flagelos, cuando existen, son complejos y presentan una estructura 9+2 formada por microtúbulos. En las células vegetales eucariotas, la fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos.

4. Diversidad Biológica y Clasificación

La TAXONOMÍA es la rama de la biología relacionada con la identificación y la nomenclatura de los organismos.

El filósofo griego Aristóteles inició la discusión sobre la taxonomía. El naturalista británico John Ray se le atribuye la revisión del concepto sobre cómo nombrar y describir los organismos. En el siglo XVIII, el botánico sueco Carolus Linnaeus clasificó todos los organismos conocidos en dos grandes grupos: Plantae y Animalia, además de Protista y Monera. Aunque se propusieron otros esquemas con más reinos, la mayoría de los biólogos emplean el sistema de los cinco reinos. Estudios recientes sugieren el uso de tres dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya, e incluyen un nuevo reino, el de las arqueobacterias.

Historia de las Clasificaciones

• Dos Reinos: Clasificación de Aristóteles (siglo IV a.C.) (Visión inicial de la diversidad)
  • Reino Animal
  • Reino Plantas
• Tres Reinos: Sistemática de Haeckel (1894) (Creado el reino Protista debido a la ambigüedad de organismos unicelulares intermedios)
  • Reino Protista
  • Reino Animal
  • Reino Vegetal
• Cuatro Reinos: Sistema de Copeland (1956) (El cuarto reino, Monera, abarcaba bacterias (eu- y archae) y algas verde-azuladas)
  • Reino Monera
  • Reino Protista
  • Reino Animal
  • Reino Vegetal
• Cinco Reinos: Clasificación de Whittaker (1969) (Separó a los hongos de las plantas en el quinto reino: Fungi)
  • Reino Monera
  • Reino Protista
  • Reino Fungi
  • Reino Animal
  • Reino Vegetal
• Tres Dominios y Seis Reinos: Clasificación de Woese (1977) (Propuso la categoría superior DOMINIO, reconociendo tres líneas evolutivas)
  • Dominio Archaea: Reino Arqueobacteria
  • Dominio Bacteria: Reino Eubacterias
  • Dominio Eukarya: Reino Protista, Reino Fungi, Reino Animal, Reino Vegetal
• Dos Dominios y Cinco Reinos: Clasificación de Margulis (1988-1996) (Conservó los cinco reinos, incluyendo las algas inferiores en los Protistas, denominándolo Protoctista)
  • Dominio Procariota: Reino Bacteria
  • Dominio Eucariota: Reino Protoctista, Reino Fungi, Reino Animal, Reino Vegetal

La mayoría de los biólogos actuales utilizan la clasificación de los cinco Reinos: Moneras, Protistas, Hongos, Plantas y Animales; aunque consideran los tres Dominios, separando en el reino Monera las Arqueobacterias de las Eubacterias. Bajo el microscopio, todas las bacterias parecen similares, y la escasez de fósiles ha dificultado el establecimiento de relaciones evolutivas entre ambos grupos. La evidencia de la biología molecular sugiere que los procariotas primitivos se separaron tempranamente en dos grupos, cuyos descendientes son las Eubacterias y las Arqueobacterias (consideradas el sexto Reino).

Los Reinos de la Vida

• Monera: Es el único reino compuesto de organismos procariotas. Tienen pared celular no celulósica y carecen de orgánulos rodeados de membranas o formas multicelulares. Incluye cianobacterias, eubacterias y arqueobacterias.
• Protista / Protoctista: El reino eucariótico más antiguo. Incluye una variedad de eucariotas (unicelulares y colonias) con diversas modalidades nutricionales (heterótrofos, autótrofos o mixtos). Se define como los eucariotas que NO SON hongos, animales ni plantas.
• Fungi (Hongos): Son eucariotas, heterótrofos, formadores de esporas y carecen de movimiento en todas las fases de su ciclo de vida. Poseen paredes celulares y absorben su alimento mediante digestión enzimática externa.
• Plantas: Son eucariotas pluricelulares, inmóviles y autótrofos que producen su alimento por fotosíntesis. Sus células poseen pared celular de celulosa. Son fuente de alimentos, oxígeno, materiales de construcción, pigmentos, colorantes, drogas y fármacos.
• Animalia: Son eucariotas pluricelulares y heterótrofos, con células sin pared celular. Son móviles en muchos estadios de su vida.