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BIOL 3051 - CAPÍTULO 1

DR. FERNANDO J. BIRD-PICÓ - 2016 1

Capítulo 1:Panorama de la Biolog ía

Capítulo 1:Panorama de la Biolog ía

Dr. Fernando J. Bird-Picó

Departamento de Biología

Recinto Universitario de Mayagüez

¿Por qué estudiar Biología?

• Conocimiento de conceptos biológicos es vital para comprender nuestro entorno: retos globales que todos los humanos confrontamos:

– Población en aumento

– Recursos disponibles en disminución

– Enfermedades y epidemias

– Calentamiento global

– otros

Panorama: Preguntas sobre el Mundo Viviente

• Evolución es el proceso de cambio que ha transformado la vida en la Tierra

• Biología es el estudio científico de la vida

• Los biólogos formulan preguntas tales como:

– ¿Cómo una célula se desarrolla en un organismo multicelular complejo?

– ¿Cómo funciona la mente humana?

– ¿Cómo los organismos vivientes interactúan en las comunidades biológicas?

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• El término vida desafía una definición simple de tan solo una oración de largo…

• La vida se reconoce por lo que los seres vivientes hacen y ejecutan a lo largo de ella…




Figure 1.2

Orden

Procesamiento energético

Crecimiento ydesarrollo

Regulación

Reproducción

Respuestaal medio ambiente

Adaptaciónevolutiva

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Evolución, el tema central de la Biología

• Evolución hace y permite que todo lo que conocemos de los organismos vivientes haga sentido:

– “Nothing in biology makes sense except in light of evolution” Theodosius Dobzhansky

• Los organismos vivientes en la Tierra son descencientes modificados (y adaptados) de ancestros comunes.



• Biología es un tema de amplia envergadura, pero hay cinco (5) temas unitarios:

– Organización

– Información

– Energía y materia

– Interacciones

– Evolución

• Adaptación :

– Las poblaciones evolucionan para tener mejor supervivencia

– Adaptaciones:

• Aquellas características que mejoran la habilidad de un organismo para subsistir en un ambiente en particular

• Pueden ser estructurales, fisiológicas, de comportamiento, o una combinación de éstas




Tema: Propiedades nuevas emergen a cada nivel en la jerarquía biológica

• La vida puede ser estudiada a diferentes niveles de organización, desde moléculas hasta el planeta completo

• El estudio de la vida se puede dividir en diferentes niveles de organización biológica


Figure 1.3

1 La Bioesfera 7 Tejidos

8Células

5Organismos

10Molé-culas

3Comunidades

2Ecosistemas

6 Órganosy Sistemasde órganos

4 Poblaciones

9 Organelos


Propiedades Emergentes

• Una Propiedad Emergente resulta del arreglo e interacción de partes dentro de un sistema

• Las propiedades emergentes pueden caracterizar algunas entidades no biológicas

– Por ejemplo, una bicicleta funcional emerge solamente cuanto todas las partes necesarias se conectan entre sí de la forma correcta


El Poder y las Limitaciones del Reduccionismo

• El reduccionismo es literalmente el reducir las partes de un sistema complejo y estudiarlas de forma separada (más manejable)

– Por ejemplo, la estructura molecular del DNA

• Un entendimiento de la biología usualmente crea un balance entre el reduccionismo con el estudio de las propiedades emergentes

– Por ejemplo, un nuevo entendimiento surge del estudio de las interacciones del DNA con otras moléculas




Biología de Sistemas

• Un sistema es la combinación de componentes que funcionan en conjunto

• La Biología de Sistemas construye modelos que expliquen el comportamiento dinámico de sistemas biológicos enteros.

• La forma en que se atienden las interrogantes de sistemas se llevan a cabo haciendo preguntas tales como:

– ¿Cómo una droga para controlar la presión sanguínea afecta a otros órganos en el cuerpo?

– ¿Cómo es que el aumento en la concentración de CO2en la atmósfera puede alterar la bioesfera completa?


Tema: Los organismos interactúan con su medio ambiente, intercambiando materia y energía

• Cada organismo interactúa con su medio ambiente, incluyendo factores abióticos y otros organismos

• Tanto el organismo como el medio ambiente se ven afectados por la interacción entre éstos:

– Por ejemplo, un árbol absorbe agua y minerales del suelo y CO2 del aire; el árbol libera O2 al aire y sus raíces ayudan en la formación del suelo.


Dinámica de Ecosistemas

• Las dinámicas de un ecosistema incluyen dos procesos mayores:

– El ciclaje de nutrientes, en el cual los materiales adquiridos por las plantas eventualmente regresan al suelo

– El flujo de energía de la luz solar hacia los productores y luego a los consumidores


Conversión de Energía

• Todo trabajo requiere una fuente de energía

• La energía se puede almacenar de formas diferentes, como por ejemplo, luz, química, cinética o termal

• El intercambio de energía entre un organismo y su medio ambiente muchas veces envuelve transformaciones energéticas

• La energía fluye a través de un ecosistema, entrando al mismo usualmente en forma de luz y saliendo del mismo en forma de calor




Animales comenhojas y frutos del árbol.

Leaves take incarbon dioxidefrom the airand releaseoxygen.

Luz solar

CO2

O2

Ciclosde

nutrientesquímicos

Hojas caen al suelo y sondescompuestaspor organismosque regresan losminerales al suelo.

Agua yminerales enel suelo seabsorben hacia el árbola través desus raíces.

Hojas absorbenenergía lumínica del sol.

Figure 1.10


Figure 1.6

Heat

Producers absorb lightenergy and transform it intochemical energy.

Chemicalenergy

Chemical energy infood is transferredfrom plants toconsumers.

(b) Using energy to do work(a) Energy flow from sunlight to��producers to consumers

Sunlight

An animal’s musclecells convertchemical energyfrom food to kineticenergy, the energyof motion.

When energy is usedto do work, someenergy is converted tothermal energy, whichis lost as heat.

A plant’s cells usechemical energy to dowork such as growingnew leaves.

Tema: Estructura y función se encuentran correla-cionadas a todos los niveles de organización biológica

• Estructura y función de los organismos vivientes están estrechamente relacionadas

– Por ejemplo: las hojas en las plantas son usualmente delgadas y planas para maximizar la captura de luz de los cloroplastos


(a) Alas

(c) Neuronas

(b) Huesos

Membrana invaginada

Mitocondrio

(d) Mitocondrios0.5 µm100 µm

Fig. 1-6



Tema: La célula es la unidad básica de estructura y función de los organismos

• La celula es el nivel más bajo de organización que puede llevar a cabo todas las actividades y funciones requeridas para la vida

• Todas las células:

– Están envueltas en una membrana;

– Utilizan DNA como portador de información genética

• La habilidad de las células para dividirse es la base para la reproducción, crecimiento, y reparación de los organismos multicelulares


• Procariota : solamente bacterias y Archaea, pequeñas en tamaño

• Eucariota : contienen una variedad de organelos rodeados por membranas, incluyendo un núcleo, con el material genético (DNA); plantas, animales, hongos y otros

Tipos de células

1 µmOrganelos

Núcleo (contiene DNA)

Citoplasma

Membrana

DNA(sin núcleo)

Membrana

Célula EucariotaCélula ProcariotaFig. 1-8

Tema: La continuidad de la vida tiene su base en la información heredable en forma de DNA

• Los cromosomas contienen la mayor parte del material genético de una célula en forma de DNA (ácido deoxiribonucléico)

• El DNA es la substancia de los genes

• Los Genes son las unidades de la herencia que transmiten dicha información de los parentales a la progenie




DNA: Estructura y Función

• Cada cromosoma posee una molécula larga de DNA que posee cientos o miles de genes

• El DNA es heredado por la progenie de parte de sus parentales

• El DNA controla el desarrollo y mantenimiento de los organismos


Núcleo quecontieneDNA

Célula espermática

Óvulo

Óvulo fecundadoCon DNA deambos parentales

Células del embrión concopias del DNA heredado

Progenie con rasgosHeredados de ambos parentales

Fig. 1-9

DNA: información codificada

• El DNA es una molécula grande (macro) de la que se componen los genes

• Los genes codifican la información específica de las instrucciones utilizadas en todos los organismos

• La estructura de esta molécula fue dilucidada por Watson y Crick en el 1953

La molécula deDNA consiste de doscadenas de átomosen una doble hélice



Fig. 1-10

Núcleo DNA

Célula

Nucleótido

(a) DNA doble hélice (b) DNA hebra sencilla

Flujo de información

• La molécula de DNA contiene las “recetas” para sintetizar proteínas;

• Son las proteínas las que determinan la estructura y función de las células y tejidos mediando en la síntesis de otras moléculas, o modificando estructuras

Flujo de información: corta distancia

• En organismos multicelulares, la comunicación con las células adyacentes es muy crítica

• Algunas proteínas se encargan de esta comunicación entre células (ej: membranas)

• Comunicación célula-célula puede ser compleja, y envuelve señales moleculares entre las mismas.

Flujo de información: larga distancia

• Muchas veces la información debe ser transmitida a diferentes partes del cuerpo para mantener la homeostasis del organismo y para el desenvolvimiento del organismo en su medio ambiente.

• Esta información es transmitida por:

– Hormonas

– Neurotransmisores (y sus receptores)



• Los genes controlan la producción de proteína de forma indirecta

• El DNA se transcribe a RNA y éste se traduce a una proteína

• El genoma de un organismo es el juego completo de instrucciones genéticas


Biología de Sistemas al nivel de Células y Moléculas

• El genoma humano y el de muchos otros organismos se ha podido secuenciar utilizando máquinas secuenciadoras de DNA

• El conocimiento de los genes y proteínas de una célula se pueden integrar utilizando el el mecanismos de biología de sistemas


Fig. 1-11 Fig. 1-12Superficie celular y exterior de membrana Citoplasma

Núcleo



• Avances en la biología de sistemas a nivel celular y molecular dependen de

– Tecnología “High-throughput”, capaz de generar cantidades gigantescas de datos

– Bioinformática, que es el uso de herramientas computacionales para procesar grandes cantidades de datos

– Equipos de investigación interdisciplinarios


Tema: Mecanismos de retroalimentación regulanlos sistemas biológicos

• Los mecanismos de retroalimentación (“feedback”) permiten la auto-regulación de los procesos biológicos

• Retroalimentación Negativa : a medida que se acumula el producto, el proceso que lo genera se hace más lento y menor cantidad del producto es producida

• Retroalimentación positiva : a medida que se acumula más cantidad del producto, el proceso que lo genera se acelera y más cantidad de producto se genera


Fig. 1-13

RetroalimentaciónNegativa −

Exceso en Dbloque el paso en Rx

D

D D

A

B

C

Enzima 1

Enzima 2

Enzima 3

D

(a) Retroalimentación Negativa

W

Enzima 4

XRetroalimentaciónPositiva

Enzima 5

Y

+

Enzima 6

Exceso de Zestimula elPaso en Rx

Z

Z

Z

Z

(b) Retroalimentación Positiva

Organización en la Diversidad de la Vida

• Hay aproximadamente unas 1.8 millones de especies que han sido identificadas y nombradas, y miles más son identificadas cada año

• Se estima que el número total de especies que pueden existir actualmente ronda entre los 10 a más de 100 millones




Agrupamiento de especies

• Taxonomía es la rama de la biología que nombra y clasifica las especies en grupos cada vez más abarcadores

• Los Dominios , seguido por los Reinos , son las unidades más abarcadoras en la clasificación


Fig. 1-14Especie Género Familia Órden Clase Filo Reino Dominio

Ursus americanus(Oso Negro Americano)

Ursus

Ursidae

Carnivora

Mammalia

Chordata

Animalia

Eukarya

Los Tres Dominios de la Vida

• Actualmente utilizamos el sistema de tres Dominios , el cual reemplaza al sistema de cinco reinos utilizados anteriormente

• Los Dominios Bacteria y Archaea consisten de procariotas

• El Dominio Eukarya incluye a todos los organismos eucariotas (Plantas, Hongos, Protistas y Animales)


Fig. 1-15(a) DOMINio BACTERIA

(b) DOMINio ARCHAEA

(c) DOMINio EUKARYA

Protistas

Reino Fungi

ReinoPlantae

Reino Animalia



• El dominio Eukarya incluye tres reinos de organismos multicelulares:

– Plantae

– Fungi

– Animalia

• Otros organismos eucariotas anteriormente fueron agrupados en un reino llamado Protista; en la actualidad éstos se agrupan en varios reinos separados


Unidad en la Diversidad de la Vida

• En la diversidad de la vida es evidente que hay unidad común en varios aspectos:

– El DNA es el lenguaje genético universal común a todos los organismos

– Esta unidad es evidente en muchas de las características de la estructura celular


Fig. 1-16

Cilio deParamecium

Corte seccional de un cilio, visualizado con un microscopio electrónico

Cilio deCélulas bronquiales

15 µm 5 µm

0.1 µm

Charles Darwin y la Teoría de Selección Natural

• Los fósiles y otras evidencias documentan la evolución de la vida en la Tierra en varios billones de años




Evolución

• Selección Natural

– La teoría evolutiva fue desarrollada por Charles Darwin y Alfred R. Wallace

– The Origin of Species by Natural Selectionpublicada en 1859

• Darwin esboza dos puntos principales:

– Las especies muestran evidencia de “descendencia con modificación” a partir de ancestros comunes

– La Selección Natural es el mecanismo que mueve esa “descendencia con modificación”

• La teoría de Darwin explica la dualidad de la unidad y diversidad

• La selección natural se fundamenta en cuatro observaciones:

– Los miembros de una misma especie exhiben polimorfismo (variación)

– Los organismos producen mucho más progenie de la que subsiste (sobreproducción )

– Los organismos compiten entre sí por los recursos y la reproducción

– Solamente algunos sobreviven esta competencia y son exitosos en la reproducción

• Las especies generalmente se adaptan a su medioambiente

• Variación (polimorfismo ) entre individuos de una misma especie

– Es el resultado de diferentes variedades de genes que codifican para cada característica;

– Es el resultado de mutaciones aleatorias (al azar)

• Mutaciones : cambios físicos y químicos en la secuencia del DNA que pueden ser heredados.

• Modifica los genes



Selección artificial: Cruciferaceae

Masas de huevos recién puestas por una rana selvática y esporas de un hongo: se producen más de los que sobeviven

• Darwin infiere que:

– Los individuos que mejor adaptados estén a su ambiente son los que probablemente sobrevivan y lleven a cabo reproducción

– A través del tiempo, más individuos en la población poseerán los rasgos ventajosos

• En otras palabras, el medioambiente natural “selecciona” los rasgos beneficiosos


Figure 1.UN10

Poblaciones de organismos

VariacionesHereditarias

Sobreproducción de progenie y competencia

Factoresambientales

Diferencias en el éxito reproductivo de individuos

Evolución de adaptaciones en la población




El Árbol de la Vida

• “Unidad en la diversidad” tiene su origen en la “descendencia con modificación”

– Ejemplo de esto son el ala del murciélago, el brazo humano, la pata anterior del caballo y la aleta de una ballena � todas muestran una arquitectura esqueletal común

• Además, los fósiles proveen evidencia adicional de la unidad anatómica producto de la descendencia con modificación


Concepto de homología

Homologías en las patas anteriores de los tetrapoda Divergencia

morfológica en las patas anteriores de los tetrápoda



• Darwin propuso que la selección natural ocasionaría que una especie ancestral daría origen a dos o más especies descendientes

– Ejemplo: los pinzones (“finches”) de las Islas Galápagos

• Las relaciones evolutivas se ilustran muy a menudo con diagramas ramificados (árboles) que muestran los ancestros y sus descendientes


Figure 1.20

Green warbler finch

COMMONANCESTOR

Certhidea olivacea

Gray warbler finchCerthidea fusca

Sharp-beaked ground finchGeospiza difficilis

Vegetarian finchPlatyspiza crassirostris

Mangrove finchCactospiza heliobates

Woodpecker finchCactospiza pallida

Medium tree finchCamarhynchus pauper

Large tree finchCamarhynchus psittacula

Small tree finchCamarhynchus parvulus

Large cactus ground finchGeospiza conirostris

Cactus ground finchGeospiza scandens

Small ground finchGeospiza fuliginosa

Medium ground finchGeospiza fortis

Large ground finchGeospiza magnirostris

Cactus-flow

er-eatersS

eed-eaters

Ground finches

Tree finches

Insect-eaters

Bud-

eater

Seed-

eater

Insect-eaters

Warbler

finches


Los científicos utilizan dos formas principales de averiguación o escubrimiento en el estudio de la naturaleza

• La palabra ciencia se deriva del Latín y significa “saber”

• Inquirir (averigüar) es la búsqueda de información y explicación

• Hay dos tipos principales de averiguación o descubrimiento científico: ciencia del descubrimiento y ciencia basada en el establecimiento de hipótesis


Ciencia del Descubrimiento

• Ciencia del Descubrimiento describe los procesos y estructuras naturales

• Este método tiene sus bases en la observación y el análisis de datos




Tipos de Datos

• Los datos son aquellas observaciones o piezas de información que han sido anotadas

• Los datos caen en dos categorías

– cualitativos, o descripciones en lugar de medidas

– cuantitativos, o medidas anotadas, que muchas veces se organizan en tablas y gráficas


Figure 1.21


Método Científico

• El método científico requiere un pensamiento sistemático (ordenado) y crítico:

– El razonamiento deductivo nos permite llegar a las conclusiones de las premisas iniciales;

– El razonamiento inductivo comienza con las observaciones y nos lleva a conclusiones o simples extrapolaciones

La Inducción en la Ciencia del Descubrimiento

• Razonamiento Inductivo llega a conclusiones por medio del proceso lógico de inducción

• La observación de forma repetida de eventos específicos nos llevan a generalizaciones importantes:

– Ejemplo, “el sol siempre se levanta por el Este”




Ciencia basada en Hipótesis

• Las observaciones nos llevan a formular preguntas y a proponer explicaciones hipotéticas llamadas hipótesis

• Una hipótesis es una respuesta tentativa a una pregunta bien formulada

• Una hipótesis científica nos lleva a predicciones que pueden ser puestas a prueba por medio de observaciones o por experimentación


• Ejemplos de linterna y automóvil:

– Observación

– Preguntas

– Hipótesis 1

– Hipótesis 2

• Ambas hipótesis se pueden poner a prueba


Deducción: La ciencia con base en el enunciado“si…entonces”

• Razonamiento Deductivo utiliza premisas generales para hacer predicciones específicas

• Ejemplo, si los organismos están compuestos de células (premisa 1), y los humanos son organismos (premisa 2), entonces los humanos están compuestos de células (predicción deductiva)

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Figure 1.22

Observación: Linterna no funciona.

Pregunta: ¿Por qué no funciona la linterna?

Hipótesis #1:Baterias agotadas.

Hipótesis #2:Bombilla esta fundida.

Predicción: Reemplazandobombilla resulevo el problema.

Prueba de la predicción:Reemplazo bombilla.

Resultado:Linterna funciona.

Hipótesis es apoyada.

Resultado:Linterna no funciona.

Hipótesis es contradecida.

Prueba de la predicción:Reemplazo baterias.

Predicción: Reemplazandobaterias resuelvo el problema.



• Una hipótesis debe ser puesta a prueba y ser falsificable

• Para ésto, usualmente se establecen dos o más hipótesis alternas

• Si se fracasa en hacer falsa la hipótesis, no significa que la hipótesis era necesariamente cierta

– Ejemplo, si reemplazas la bombilla y ahora funciona, solamente apoya la hipótesis de que la anterior estaba quemada, pero no lo prueba, quizás la primera bombilla estaba mal enroscada


Estudio en indagación científica: InvestigandoColoración de la piel en poblaciones de ratones

� Patrón de coloración en animales varíaampliamente en la naturaleza, a veces entre miembros de la misma especie.

� Dos poblaciones de ratones de campo de la misma especie (Peromyscus polionotus) pero con patrones de color diferentes que se encuentran enmedios ambientes diferentes

� El ratón costero vive en las dunas de arena blancacon vegetación esparcida; el ratón de tierraadentro habita suelos órgánicos más oscuros

Figure 1.24

Florida

Inland population

Beachpopulation

Beach population

GULF OF MEXICO

Inland population


Figure 1.25

Modelos claros Modelos oscuros Modelos claros Modelos oscuros

Camuflados No-camuflados No-camuflados Camuflados(control) (experimental) (experimental) (control)

Hábitat costero Hábitat orgánico

Por

cien

to d

em

odel

os a

taca

dos 100

50

0

Resultados




Diseño de Experimentos Controlado

• Un experimento controlado compara un grupo experimental (los ratones no camuflados) con un grupo control (ratones camuflados)

• Idealmente, sólo la variable de interés (el patrón de color) difiere entre el grupo control y el grupo experimental

• Un experimento controlado significa que los grupos control se usan para cancelar los efectos de variables no deseadas

• Un experimento controlado no significa que todas las variables no deseadas se han mantenido constante


Limitaciones de la Ciencia

• Las observaciones y resultados experimentales deben ser repetibles por otros

• La ciencia no puede apoyar o falsificar explicaciones sobrenaturales que están fuera de lo que es ciencia


Teorías en la Ciencia

• En el contexto de la ciencia, una teoría es:

– De mayor alcance que una hipótesis

– General, y puede dar lugar a nuevas hipótesis que pueden ser verificadas

– Apoyada por una gran cantidad de evidencia en comparación a una hipótesis


Construcción de Modelos en la Ciencia

• Modelos son representaciones de fenómenos naturales y pueden tomar la forma de:

– Diagramas

– Objetos tri-dimensionales

– Programados de Computadoras

– Ecuaciones matemáticas




Cultura de la Ciencia

• La mayoría de los científicos trabajan en equipos, los cuales muchas veces incluyen estudiantes graduados y subgraduados

• Una buena comunicación es importante para poder compartir y diseminar los resultados de las investigaciones a través de seminarios, publicaciones, páginas del web, etcétera.


Ciencia, Tecnología, y Sociedad

• La meta de la ciencia es conocer y entender los fenómenos naturales

• La meta de la tecnología es aplicar el conocimiento científico para un propósito específico

• La ciencia y la tecnología son interdependientes

• La biología está marcada por “descubrimientos,” mientras que la tecnología está marcada por “inventos”


• La combinación de ciencia y tecnología tiene efectos dramáticos y profundos en la sociedad

– Ejemplo de esto es el descubrimiento del DNA por James Watson y Francis Crick permitió avances en tecnologías del DNA que sirven varios propósitos, entre éstos, la búsqueda de genes asociados a enfermedades hereditarias

• Situaciones éticas pueden surgir del desarrollo de nuevas tecnologías, que tienen que ver lo mismo con política, economía, y valores culturales que con la ciencia y tecnología


Cap tulo 1: Panorama de la Biolog a - academic.uprm.eduacademic.uprm.edu/~fbird/Biol 3051/3051-2016-cap-1-ppt.pdf · DNA: Estructura y Función • Cada cromosoma posee una molécula

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