Crecimiento y Reproducción Celular

Todas las células provienen de otras células (Virchow, 1858).

Ciclo de Vida Celular

• Interfase: En este periodo la célula se nutre, crece y duplica su ADN.
• División Celular: Produce células hijas después de realizar un proceso que puede ser:
  • Fisión binaria (bacterias).
  • Mitosis (células somáticas).
  • Meiosis (células sexuales).

Crecimiento y Reproducción Celular (o División Celular)

• La división celular es una parte muy importante del ciclo celular.
• Con ella, una célula se divide para formar células hijas.
• Por la división celular se produce el crecimiento de los tejidos de los organismos pluricelulares y la reproducción en seres unicelulares.

Dos Papeles Importantes de la División Celular

• La división celular hace posible que un huevo fecundado se desarrolle a través de varias etapas embrionarias y se forme un ser adulto.
• La división celular asegura la continuidad de la vida de una generación a otra.

Tanto las células procariotas como las eucariotas tienen ciclos celulares que incluyen crecimiento, duplicación de ADN (Interfase) y división celular; estos ciclos difieren considerablemente.

División Celular de las Procariotas

Las procariotas (bacterias y arqueobacterias) se reproducen por fisión binaria (división a la mitad).

Fisión Binaria

1. El ADN en la célula es replicado.
2. Este ADN se une a la membrana.
3. El crecimiento gradual de la célula separa a los cromosomas hijos, los cuales permanecen unidos a la membrana en puntos separados.
4. La membrana plasmática y la pared celular se invaginan y dividen la célula en dos, idénticas a la progenitora.

Para realizar la división, las células reciben señales que regulan esta división, como por ejemplo, las hormonas de crecimiento. Ejemplo: Las células de la piel se dividen una vez al día; en contraste, la mayoría de las neuronas no vuelven a dividirse después de que maduran.

En las Células Eucariotas hay Dos Tipos de División Celular:

• Mitosis
• Meiosis

Mitosis

Ocurre en todos los tipos de organismos eucariotas.

Es importante en los organismos multicelulares: la división celular que produce dos células hijas permite que un huevo fertilizado se convierta en un adulto con billones de células especializadas.

La división celular mitótica también permite que los organismos conserven sus tejidos, muchos de los cuales requieren un reemplazo frecuente. Esta división permite también que el cuerpo se repare a sí mismo cuando ha sido lesionado o ha perdido células.

Proceso de la Mitosis

Después de la interfase (fase en la que la célula crece y se duplica el ADN), sucede la mitosis.

La mitosis se estudia en cuatro pasos:

1. Profase
2. Metafase
3. Anafase
4. Telofase

La mitosis es la división del núcleo. La citocinesis es la división del citoplasma.

1. Profase

• a) Se condensan los cromosomas.
• b) Desaparece la envoltura nuclear y los nucléolos.
• c) Se forman los microtúbulos del huso desde los centriolos que se han desplazado hacia los polos.
• d) El huso capta a los cromosomas por el cinetocoro.

2. Metafase

Los cromosomas se mueven hacia la línea media de la célula adheridos a una fibra del huso.

3. Anafase

Los centrómeros se dividen y las cromátides hermanas son haladas hacia los polos opuestos de las células.

4. Telofase

Se forman dos células hijas con un conjunto completo de cromosomas. El citoplasma se divide (citocinesis) y la envoltura nuclear reaparece.

Meiosis

La clave de la reproducción sexual es la meiosis.

Es un tipo de reproducción celular que se realiza en las gónadas (los testículos y ovarios en humanos) con el fin de formar gametos. Transforma una célula diploide en células haploides.

Preparación para la Meiosis

Los pasos preparatorios que conducen a la meiosis son idénticos a la interfase del ciclo mitótico de la célula:

1. La célula crece por formación de materiales celulares y organelos.
2. La célula duplica su ADN.

Función de la Meiosis

Formación de gametos.

Etapas de la Meiosis

Este proceso se lleva a cabo en dos divisiones nucleares y citoplasmáticas: Meiosis I y Meiosis II. Ambas comprenden profase, metafase, anafase y telofase.

Meiosis I

1. Profase I

• A) Los cromosomas duplicados se condensan y se aparean los homólogos formando tétradas.
• B) Se produce el entrecruzamiento entre cromosomas homólogos para el intercambio de ADN.
• C) La envoltura nuclear se desintegra y se forman los microtúbulos del huso.

2. Metafase I

Los cromosomas homólogos se alinean en el centro de la célula y un homólogo de cada par se fija al huso por el cinetocoro, cada uno mirando hacia un polo.

3. Anafase I

Los cromosomas homólogos se separan y cada par se dirige hacia cada uno de los polos. Las cromátides hermanas no se separan.

4. Telofase I

Desaparecen los microtúbulos del huso, se forman dos conjuntos de cromosomas; en cada lado, un homólogo. Ocurre la citocinesis (división del citoplasma) para cada célula hija. No hay interfase entre meiosis I y meiosis II.

Meiosis II

1. Profase II

1. Los cromosomas se vuelven a condensar.
2. Nuevamente se forma el huso de microtúbulos y se fijan a las cromátides hermanas.

2. Metafase II

Los cromosomas se alinean en el centro de la célula con cada cromátida hermana unida a microtúbulos del huso que las llevan a polos opuestos.

3. Anafase II

Los centrómeros se separan, y las cromátides hermanas (ahora cromosomas individuales) se dirigen hacia polos opuestos.

4. Telofase II

Se forman las envolturas nucleares y los cromosomas se descondensan nuevamente. Se realiza la citocinesis (división del citoplasma), formando células haploides llamadas gametos.

Herencia Mendeliana

Gregor Mendel, un monje agustino austriaco, descubre los patrones de la herencia en la década de 1860 (no 1890) cultivando guisantes en su jardín. Hizo sus descubrimientos mucho antes de que se conociera el ADN.

• Demostró con su investigación experimental que los progenitores transmiten a su progenie genes separados.
• Puso énfasis en los genes, que él llamó “factores hereditarios”.

Gregor Mendel: Estableció los cimientos de la genética moderna.

Mendel decidió iniciar su estudio con la herencia de rasgos individuales y estudió 7 características de las plantas de los guisantes que se presentaban en dos formas diferentes:

• Color de la semilla: amarillo o verde.
• Forma de la semilla: lisa o rugosa.
• Color de la flor: púrpura o blanco.
• Forma de las legumbres: lisa o estrangulada.
• Color de las legumbres maduras: verde o amarillo.
• Posición de las flores: axial o terminal.
• Talla de las plantas: normal o enana.

Mendel Experimentó con Rasgos Individuales

1. Cruzó plantas de raza pura que diferían en una característica. Ejemplo: el color de la flor.

   Cruzó plantas de flor púrpura con las de color blanco; esto le dio como resultado una filial 1 (F1) de plantas de color púrpura.

   Representación del cruce (P x p):
   Parentales: PP (púrpura) x pp (blanca)
   Gametos: P ; p
   F1: Todos Pp (púrpura)
   (Original: P P p Pp. Pp. p pP. pP. P = púrpura p= Blanca)

2. Cuando cruza las plantas de la F1 (Pp x Pp), el resultado fue que en la generación filial 2 (F2), el 75% de las plantas fueron púrpuras y un 25% fueron blancas.

   Representación del cruce F1 x F1 (Pp x Pp):
   Gametos: P, p ; P, p
   F2: PP (púrpura), Pp (púrpura), Pp (púrpura), pp (blanca)
   (Original: P p P PP Pp. p pP. pp.)

Leyes de Mendel: Herencia de Rasgos Individuales (Conclusiones de sus Observaciones)

Ley de la Uniformidad

Establece que si se cruzan dos razas puras para un rasgo, los descendientes de la primera generación (F1) serán todos iguales entre sí e iguales en fenotipo a uno de los progenitores. El alelo dominante enmascara la expresión del alelo recesivo.

Ejemplo: Cruce P (púrpura) x p (blanca) -> F1: Todos Pp (fenotipo púrpura 100%).

Ley de la Segregación

Los pares de genes (alelos) se separan (segregan) durante la formación de los gametos. Cuando un espermatozoide fecunda un óvulo, la progenie recibe un alelo del padre y otro de la madre, pudiendo encontrarse reunidos en la descendencia de forma diferente a como estaban en los padres.

Leyes de Mendel: Herencia de Rasgos Múltiples (Conclusiones de sus Observaciones)

Mendel cruzó variedades que diferían en dos características. Se heredó cada característica independientemente de la otra.

Ley de la Herencia Independiente de Varios Caracteres Diferentes

El azar determina cuál alelo se incluye en un gameto determinado, ya que los cromosomas homólogos se separan al azar durante la meiosis. Se agrupan al azar en los descendientes.

Explicación de los Resultados de los Experimentos de Mendel con los Conocimientos Actuales

Herencia de Rasgos Individuales

1. Cada organismo tiene dos alelos de un gen dado. En cada cromosoma homólogo está presente un alelo de un gen.
2. Cuando un organismo tiene dos alelos diferentes, el alelo dominante enmascara la expresión del otro; sin embargo, el alelo recesivo sigue presente (base de la Ley de la Uniformidad de Mendel).
3. Los cromosomas se separan al azar durante la meiosis; de igual forma, la distribución de los alelos es aleatoria (base de la Ley de la Segregación).
4. Los organismos de raza pura (homocigotos) tienen dos ejemplares del mismo alelo de un gen determinado; en consecuencia, todos los gametos tienen el mismo alelo.
5. Los organismos híbridos (heterocigotos) tienen dos alelos diferentes del mismo gen. La mitad de los gametos de un organismo contienen un alelo de ese gen y la mitad restante contiene el otro alelo.

Herencia de Rasgos Múltiples

Los alelos de un gen pueden distribuirse en el cigoto de forma independiente respecto a los alelos de otros genes (Ley de la Distribución Independiente).

Herencia No Mendeliana

Genes que están en un Mismo Cromosoma

Tienden a heredarse juntos. Se denomina ligamiento genético. Esto es la herencia de ciertos genes en grupo porque están en el mismo cromosoma. Entre más cerca esté un gen de otro, hay mayor probabilidad de heredarse juntos.

Genes Ligados al Sexo

Los genes que se encuentran en los cromosomas sexuales pero que codifican características que no son sexuales se denominan genes ligados al sexo.

En el varón, los cromosomas sexuales son XY. Estos cromosomas no son iguales; el Y tiene menos genes que el X, por lo tanto, hay características codificadas por el X que no tienen alelo en el Y.

En este caso, el varón mostrará la característica fenotípica recesiva del cromosoma X siempre que esté presente, y la mujer solo si la hereda tanto del padre como de la madre. Ejemplos: hemofilia, daltonismo.

Excepciones a las Leyes de Mendel

• Codominancia: Cuando los alelos en un individuo heterocigoto se expresan fenotípicamente ambos. Ejemplo: Tipo de sangre AB.
• Dominancia incompleta: El fenotipo resultante de la acción de ambos alelos es un fenotipo intermedio al de los padres.

Herencia Poligénica

Muchos caracteres son gobernados por la interacción de varios genes. Ejemplos: la estatura, color de piel, complexión.

Cuanto mayor sea el número de genes que contribuyen a un rasgo, mayor es el número de fenotipos y más sutiles sus diferencias.

Características de la Herencia Poligénica

Se distingue por:

• Cuantificarse midiendo más que contando.
• Dos o más pares de genes contribuyen al fenotipo.
• La expresión fenotípica abarca un gran rango.
• En humanos se observa en: estatura, peso, inteligencia, color de la piel, muchas formas de comportamiento.

Influencia del Ambiente en la Genética

El desarrollo final de esta vida está guiado por la interacción de herencia y ambiente.

Se heredan: rasgos físicos, rasgos psicológicos, comportamiento. No hay instrucción genética que no esté influenciada por el ambiente.

Si hablamos de ambiente, es un conjunto de factores como:

• Directos: Nutrición, clima, atención médica, etc.
• Indirectos: Contextos económicos, políticos, culturales, etc.

Para obtener conclusiones sobre esto, se han estudiado gemelos que han crecido en diferentes ambientes.

Con esto se ha concluido que la mayoría de las características psicológicas y todos los rasgos personales están sujetos a influencias genéticas y quedan afectados a lo largo de la vida por el ambiente en el que vive cada persona.

Teorías de la Evolución

J.B. Lamarck: Herencia de las Características Adquiridas

Ideas Pre-evolucionistas

• Todos los organismos fueron creados por Dios simultáneamente y permanecían inalterables desde el momento de su creación.
• Visión estática de la creación.

Evolución según Darwin y Wallace: Mecanismo de Evolución

Las combinaciones genéticas mejor adaptadas serán más abundantes; sus portadores se reproducirán más eficientemente, las transmitirán a su descendencia y aumentará su proporción en la población. Las peor adaptadas se eliminarán.

Siglo XVIII y Observaciones Clave

Con la exploración por parte de europeos de territorios, observaron gran biodiversidad en África, Asia y América. Observaron:

• Especies muy parecidas que diferían en características.
• Diferencia entre especies de diferentes áreas geográficas.

Especiación

Proceso de formación de nuevas especies.

Factores de Especiación

Depende de dos factores:

• Aislamiento de poblaciones: Solo si hay aislamiento que no permita el cruce entre las poblaciones habrá especiación.
• Diferencia genética de poblaciones: Durante el periodo de aislamiento, las poblaciones adquieren diferencias genéticas que eviten el cruce entre ellas cuando se reencuentren.

Tipos de Especiación

• Alopátrica: Cuando porciones de una población quedan aisladas por una barrera infranqueable.
• Simpátrica: La produce el aislamiento ecológico. Las poblaciones se vuelven genéticamente aisladas sin que exista separación geográfica.

Patrones de Evolución

• Evolución Divergente: Las especies que una vez fueron similares se vuelven cada vez más diferentes.
• Evolución Convergente: Organismos cuyo parentesco es lejano desarrollan características parecidas.

Modelos de Ritmo Evolutivo

• Evolución Gradual: Acumulación gradual de cambios pequeños de manera continua a través de mucho tiempo. La aparición de pequeños cambios en las especies ocurre de manera continua hasta que los individuos que poseen estos cambios se van aislando reproductivamente y se convierten en especies.
• Evolución Puntual o Punteada: Aparición repentina de cambios mayores. Parece que la evolución sucede en saltos bruscos asociados a episodios de especiación. Las especies permanecen iguales morfológicamente durante largos periodos de tiempo y sufren cambios morfológicos durante breves periodos de evolución, permaneciendo sin cambios hasta que ocurra el siguiente suceso en la evolución.

La biología sistemática clasifica a los seres vivos en tres superreinos: Archaea, Bacteria y Eukarya. Ésta última, a su vez, comprende los reinos Protista, Fungi, Plantae y Animalia. La clasificación de los virus todavía no está dilucidada.

Biología Sistemática

Preparado por RKS.

La biología sistemática utiliza todo aquello que conocemos sobre los organismos para comprender sus relaciones evolutivas.

Con la sistemática se construye un árbol filogenético que muestra las relaciones evolutivas entre varias especies u otras entidades que se cree que tienen una ascendencia común.

Árbol Filogenético

(Contenido descriptivo de las imágenes «Árbol filogenético» y «Ramas del Árbol filogenético» no proporcionado, se omite la representación visual).

Taxonomía

La taxonomía es parte de la sistemática y ordena las especies en 8 categorías principales:

• Dominio
• Reino
• Filo
• Clase
• Orden
• Familia
• Género
• Especie

Estas categorías forman una jerarquía de nichos en la que cada nivel incluye todos los demás que están debajo de este.

Ejemplos de Clasificación Taxonómica

A medida que se desciende, los grupos van siendo más reducidos y especifican un grupo cuyo ancestro es más reciente.

El nombre científico se forma a partir de las dos categorías más reducidas: género y la especie (Nomenclatura binomial).

Cada género incluye un grupo de especies muy estrechamente emparentadas y cada especie incluye poblaciones que se pueden cruzar en condiciones naturales. Ejemplos: Sialia sialis, Sialia currucoides, Sialia mexicana.

Cada nombre científico compuesto de estos dos elementos es único; esto implica que se elimina la confusión pues se refiere a un único organismo a nivel mundial. Por ejemplo, la planta llamada veranera en Panamá, trinitaria al norte de Colombia, buganvilia en España y Santa Rita en Argentina, tiene como nombre científico Bougainvillea buttiana en cualquier parte del mundo.

La primera letra del género siempre es mayúscula y la primera letra de la especie es minúscula. Ejemplos: Homo sapiens, Sialia sialis, Bougainvillea buttiana.

Carlos Linneo (1707-1778) puso los cimientos del sistema moderno de clasificación. Colocó cada organismo en una serie de categorías jerárquicas sobre la base de su semejanza con otras formas de vida. También introdujo el nombre científico compuesto por género y especie.

Características Distintivas más Importantes para la Sistemática

Históricamente, las características distintivas más importantes para la sistemática han sido las anatómicas (estructuras homólogas).

Las semejanzas moleculares o genéticas son, desde 1980, una revolución en los estudios de las relaciones evolutivas: los sistemáticos actuales usan la secuencia de nucleótidos de ADN para investigar el parentesco de diferentes organismos.

Clasificación de los Seres Vivos

Inicialmente, todos los seres vivos se clasificaban en dos reinos: Animalia y Plantae.

Robert H. Whittaker propuso en 1969 un esquema de clasificación de cinco reinos, adoptado actualmente.

Este sistema colocó a todos los organismos procariotas en un solo reino (Monera) y divide a los eucariotas en cuatro reinos: Protista, Plantae, Fungi y Animalia.

Procariotas: Monera

Eucariotas: Protista, Plantae, Fungi, Animalia

Dominios

Woese y otros biólogos, estudiando el reino Monera, se dieron cuenta de que en realidad había dos clases de organismos procariotas: Bacteria y Archaea, que son radicalmente diferentes, por lo cual el árbol de la vida se dividió en tres grupos muy al principio de la vida.

Arqueas (Archaea)

Son formas de vida muy antigua. Poseen rutas metabólicas diferentes a las bacterias. Además de azúcares, usan amoniaco, azufre e iones de metales como nutrientes. Poseen muchos hábitats; algunas toleran altas concentraciones de sal y altas temperaturas (son extremófilas).

Ejemplos de Clasificación Detallada:

Ecosistemas

Ecología

Se refiere al estudio de las relaciones entre los seres vivos y su ambiente inanimado. Estudia los ecosistemas.

Ecosistemas

Un ecosistema es un conjunto de seres vivos y elementos no vivos que se relacionan entre ellos, donde todos interactúan entre todos.

(Ejemplos visuales de ecosistemas no proporcionados en el texto original)

Elementos Bióticos

Son todos los organismos vivos que forman parte de un ecosistema:

• Animales
• Plantas
• Hongos
• Bacterias
• Protistas

Elementos Abióticos

Componentes del ecosistema que carecen de vida:

• Suelo
• Aire
• Agua, humedad
• Temperatura y luz

Antecedentes de la Ecología

El alemán Ernst Haeckel introdujo el término Ökologie, que para él era: “una ciencia que estudia la relación de los seres vivos con el ambiente que los rodea”.

Desde la antigüedad ya existía un interés por comprender las relaciones entre los organismos y su ambiente. Históricamente, Lamarck, Charles Lyell y Darwin con sus trabajos nos adentran en el mundo de la ecología.

En los siglos XVIII y XIX, aparecieron conceptos y modos de contemplar las relaciones entre los seres vivos. Actualmente es una ciencia y un fenómeno sociológico de movimientos ecologistas y conservacionistas.

Acontecimientos Históricos que Desarrollaron la Ecología

Las consecuencias del lanzamiento de la bomba atómica sensibilizaron a la opinión pública, ya que a raíz de esto se iniciaron los primeros grupos de trabajo conservacionistas.

Las secuelas de la bomba provocaron reacciones internacionales. Se crearon comisiones de energía atómica que velaran por el desarrollo de este tipo de energía y otras.

Se crean grupos pro defensa del planeta que adquieren poder político.

Niveles Ecológicos

1. Organismo
2. Población: Individuos de una especie.
3. Comunidad: Varias especies de un lugar.
4. Ecosistema: Lugar donde se relacionan seres vivos entre ellas y con el ambiente.
5. Biósfera: Conjunto de todos los seres vivos.

Las Interacciones de los Organismos con su Ambiente van en Dos Sentidos

1. Los organismos se ven afectados por el ambiente.
2. Por su sola presencia y actividades, los organismos vivos pueden modificar el ambiente.

Los ecólogos estudian las interacciones de los ecosistemas en varios niveles:

• De organismo: Cómo un organismo vence los retos del entorno.
• De población: Una misma especie en un ecosistema específico.
• De comunidad: Varias poblaciones interactuando en un ecosistema.
• De ecosistemas: Incluye todas las formas de vida que existen en un área dada, así como todos los factores no vivientes.

La Biósfera

Es el ecosistema global, toda la vida y el lugar donde vive. El nivel más complejo de la ecología.

Investigación Ecológica

La investigación ecológica en cualquier nivel utiliza los elementos del método científico:

• Observación
• Hipótesis
• Experimentación
• Análisis de resultados
• Conclusión

Los Factores Físicos Influyen en la Vida de la Biósfera

Entre los factores abióticos está:

• La energía solar: Se transmite a todos los ecosistemas terrestres superficiales y a los acuáticos de poca profundidad. Tiene gran influencia en la distribución de plantas y algas.
• El agua: Esencial para la vida. Para los organismos terrestres, el problema es la amenaza de la deshidratación, así que cuentan con recubrimientos que reducen la pérdida. Los acuáticos enfrentan el problema del desequilibrio hídrico si su concentración de soluto no concuerda con el circundante. El agua que se encuentra acumulada almacena calor, y la evaporación origina la humedad atmosférica, permitiendo la vida de animales y plantas.
• La temperatura: Tiene grandes efectos en el metabolismo. Este no es activo a bajas temperaturas (cercanas a 0ºC) ni a altas (superiores a 50ºC). Hay pocas adaptaciones que permiten sobrevivir a temperaturas por fuera de ese rango de entre 0ºC y 50ºC.
• El viento: Hay factores bióticos dependientes de nutrientes acarreados por el viento. Los vientos pueden afectar los ecosistemas. Incrementa la tasa de pérdida de agua. Enfría o calienta el ambiente.
• La estructura del suelo: La estructura y composición del suelo determina la distribución de la biomasa vegetal y, por consiguiente, el tipo de animales presentes en una comunidad.