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5: Bacterias - Componentes internos - Biología

5: Bacterias - Componentes internos - Biología


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Ya hemos cubierto los principales componentes internos que se encuentran en todas las bacterias, a saber, el citoplasma, el nucleoide y los ribosomas. Recuerde que generalmente se piensa que las bacterias carecen de orgánulos, esos compartimentos bilípidos unidos a la membrana que son tan frecuentes en las células eucariotas (aunque algunos científicos sostienen que las bacterias poseen estructuras que podrían considerarse como simples orgánulos). Pero las bacterias pueden ser más complejas, con una variedad de componentes internos adicionales que pueden contribuir a sus capacidades. La mayoría de estos componentes son citoplasmáticos, pero algunos de ellos son periplásmicos, ubicados en el espacio entre el citoplasma y la membrana externa en las bacterias gramnegativas.

Citoesqueleto

Originalmente se pensó que las bacterias carecían de un citoesqueleto, un componente importante de las células eucariotas. Sin embargo, en los últimos 20 años, los científicos han descubierto filamentos bacterianos hechos de proteínas análogas a las proteínas citoesqueléticas que se encuentran en los eucariotas. También se ha determinado que el citoesqueleto bacteriano juega un papel importante en la forma celular, la división celular y la integridad de la pared celular.

FtsZ

FtsZ, homólogo a la proteína eucariota tubulina, forma una estructura de anillo en el medio de la célula durante la división celular, atrayendo otras proteínas al área para construir un tabique que eventualmente separará las dos células hijas resultantes.

MreB

MreB, homólogo a la proteína eucariota actina, se encuentra en bacilos y bacterias en forma de espiral y juega un papel esencial en la formación de la forma celular. MreB asume una configuración helicoidal que recorre la longitud de la célula y dicta las actividades de la maquinaria de síntesis de peptidoglucanos, asegurando una forma no esférica.

Crescentin

Crescentin, homólogo a las proteínas eucariotas lamina y bordillo, se encuentra en bacterias en forma de espiral con una sola curva. La proteína se ensambla longitudinalmente en la curvatura interna de la célula, doblando la célula a su forma final.

Estructuras del citoesqueleto.

Inclusiones

Bacteriano inclusiones generalmente se definen como una estructura distinta ubicada dentro del citoplasma o periplasma de la célula. Pueden variar en complejidad, desde una simple compilación de sustancias químicas como cristales, hasta estructuras bastante complejas que comienzan a rivalizar con las de los orgánulos eucariotas, con una capa externa membranosa. Su función es a menudo almacenar componentes como reservas metabólicas para la célula cuando se encuentra una sustancia en exceso, pero también pueden desempeñar un papel en la motilidad y las funciones metabólicas.

Almacenamiento de carbono

El carbono es la sustancia más común que almacena una célula, ya que todas las células están basadas en carbono. Además, los compuestos de carbono a menudo pueden ser degradados rápidamente por la célula, por lo que también pueden servir como fuentes de energía. Una de las inclusiones más simples y comunes para el almacenamiento de carbono es glucógeno, en el que las unidades de glucosa están unidas entre sí en una estructura de polisacárido de múltiples ramificaciones.

Otra forma común de que las bacterias almacenen carbono es en forma de poli-β-hidroxibutirato (PHB), un gránulo que se forma cuando las unidades de ácido β-hidroxibutírico se agregan. Este lípido tiene una composición muy similar al plástico, lo que llevó a algunos científicos a investigar la posibilidad de usarlos como plástico biodegradable. Los gránulos de PHB en realidad tienen una cubierta compuesta de proteínas y una pequeña cantidad de fosfolípidos. Tanto el glucógeno como el PHB se forman cuando hay un exceso de carbono y luego la célula los descompone más tarde para obtener carbono y energía.

Almacenamiento inorgánico

A menudo, las bacterias necesitan algo más que carbono, ya sea para la síntesis de componentes celulares o como reserva de energía alternativa. Gránulos de polifosfato permitir la acumulación de fosfato inorgánico (PO43-), donde el fosfato se puede utilizar para producir ácido nucleico (recuerde el azúcar-fosfato columna vertebral?) o ATP (adenosina trifosfato, por supuesto).

Otras células necesitan azufre como fuente de electrones para su metabolismo y almacenarán el exceso de azufre en forma de glóbulos de azufre, que resultan cuando la célula oxida el sulfuro de hidrógeno (H2S) a azufre elemental (S0), dando como resultado la formación de inclusiones refráctiles.

Funciones que no son de almacenamiento

Hay momentos en que una bacteria necesita hacer algo más allá del simple almacenamiento de compuestos orgánicos o inorgánicos para su uso en el metabolismo y hay inclusiones para ayudar con estas funciones que no son de almacenamiento. Un ejemplo es vacuolas de gas, que son utilizados por la celda para controlar la flotabilidad en una columna de agua, proporcionando a la celda cierto control sobre dónde se encuentra en el medio ambiente. Es una forma limitada de motilidad, solo en el eje vertical. Las vacuolas de gas están compuestas por conglomerados de vesículas de gas, estructuras cilíndricas huecas y rígidas. Las vesículas de gas son libremente permeables a todo tipo de gases por difusión pasiva y pueden construirse o colapsarse rápidamente, según lo necesite la célula para ascender o descender.

Magnetosomas son inclusiones que contienen largas cadenas de magnetita (Fe3O4), que son utilizadas por la célula como brújula en campos geomagnéticos, para orientarse dentro de su entorno. Las bacterias magnetotácticas son típicamente microaerofílico, prefiriendo un ambiente con un nivel de oxígeno más bajo que la atmósfera. El magenetosoma permite a las células ubicar la profundidad óptima para su crecimiento. Los maagenetosomas tienen una verdadera bicapa lipídica, que recuerda a los orgánulos eucariotas, pero en realidad es una invaginación de la membrana plasmática de la célula que se ha modificado con proteínas específicas.

Microcompartimentos

Microcompartimentos bacterianos (BMC) son únicos de otras inclusiones en virtud de su estructura y funcionalidad. Tienen forma icosaédrica y están compuestos por una capa de proteína formada por varias proteínas de la familia BMC. Si bien su función exacta varía, todos participan en funciones que van más allá del simple almacenamiento de sustancias. Estos compartimentos proporcionan tanto una ubicación como las sustancias (generalmente enzimas) necesarias para determinadas actividades metabólicas.

El ejemplo mejor estudiado de un BMC es el carboxysome, que se encuentran en muchas bacterias fijadoras de CO2. Los carboxisomas contienen la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa (afortunadamente también se conoce como RubisCO), que juega un papel crucial en la conversión de CO2 en azúcar. El carboxisoma también juega un papel en la concentración de CO2, asegurando así que los componentes necesarios para la fijación de CO2 estén todos en el mismo lugar al mismo tiempo.

Anammoxosoma

los anammoxosoma es un gran compartimento unido a la membrana que se encuentra en las células bacterianas capaces de llevar a cabo la reacción de annamox (unaerobio soymonio bueyidación), donde el amonio (NH4 +) y el nitrito (NO2-) se convierten en gas dinitrógeno (N2). El proceso se realiza como una forma para que la célula obtenga energía, utilizando amonio como donante de electrones y nitrito como aceptación de electrones, con la producción resultante de nitrógeno gaseoso. Esta conversión química de nitrógeno es importante para el ciclo del nitrógeno.

Ciclo del nitrógeno. Por Shou-Qing Ni y Jian Zhang [CC BY 3.0], a través de Wikimedia Commons

Clorosoma

Encontrado en algunas bacterias fototróficas, un clorosoma es una estructura altamente eficiente para capturar intensidades de luz bajas. Revestiendo el perímetro interior de la membrana celular, cada clorosoma puede contener hasta 250.000 moléculas de bacterioclorofila, dispuestas en matrices densas. La luz recolectada se transfiere a los centros de reacción en la membrana celular, lo que permite la conversión de energía luminosa en energía química en forma de ATP. El clorosoma está delimitado por una monocapa de lípidos.

Plásmido

A plásmido es una pieza extracromosómica de ADN que tienen algunas bacterias, además del material genético que se encuentra en el nucleoide. Está compuesto de ADN de doble hebra y es típicamente circular, aunque se han encontrado plásmidos lineales. Los plásmidos se describen como "no esenciales" para la célula, donde la célula puede funcionar normalmente en su ausencia. Pero si bien los plásmidos tienen solo unos pocos genes, pueden conferir capacidades importantes para la célula, como la resistencia a los antibióticos. Los plásmidos se replican independientemente de la célula y pueden perderse (conocido como curación), ya sea de forma espontánea o debido a la exposición a condiciones adversas, como luz ultravioleta, inanición de timina o crecimiento por encima de las condiciones óptimas. Algunos plásmidos, conocidos como episomas, se puede integrar en el cromosoma celular donde los genes se replicarán durante la división celular.

Endospora

Luego está el endospora, una maravilla de la ingeniería bacteriana. Esto se encuentra bajo el título "componentes internos bacterianos", pero es importante tener en cuenta que una endospora no es una estructura interna o externa, sino una conversión de la célula en una forma alternativa. Las células comienzan como una célula vegetativa, haciendo todas las cosas que se supone que debe hacer una célula (metabolizar, reproducirse, cortar el césped ...). Si se exponen a condiciones hostiles (desecación, calor intenso, un vecino enojado ...) y tienen la capacidad de convertirse de una célula vegetativa en una endospora. La endospora en realidad se forma dentro de la célula vegetativa (¿no la convierte eso en una estructura interna?) Y luego la célula vegetativa se lisa, liberando la endospora (¿eso la convierte en una estructura externa?).

Capas de endosporas.

Las endosporas solo están formadas por unos pocos géneros gram positivos y proporcionan a la célula resistencia a una amplia variedad de condiciones duras, como inanición, temperaturas extremas, exposición al secado, luz ultravioleta, productos químicos, enzimas y radiación. Mientras que la célula vegetativa es la forma activa de las células bacterianas (en crecimiento, metabolización, etc.), la endospora se puede considerar como una forma inactiva de la célula. Permite la supervivencia de condiciones adversas, pero no permite que la célula crezca o se reproduzca.

Estructura

Para ser tan increíblemente resistente a tantas sustancias y condiciones ambientales diferentes, se necesitan muchas capas diferentes. La endospora bacteriana tiene muchas capas diferentes, comenzando con una centro en el centro. El núcleo es la ubicación del nucleoide, los ribosomas y el citoplasma de la célula, en una forma extremadamente deshidratada. Por lo general, contiene solo el 25% del agua que se encuentra en una celda vegetativa, lo que aumenta la resistencia al calor. El ADN está aún más protegido por la presencia de pequeñas proteínas solubles en ácido (SASP), que estabilizan el ADN y lo protegen de la degradación. La estabilización del ADN aumenta con la presencia de ácido dipicolínico complejado con calcioCa-DPA), que se inserta entre las bases de ADN. El núcleo está envuelto en un membrana interna que proporciona una barrera de permeabilidad a los productos químicos, que luego está rodeada por el corteza, una capa gruesa que consta de peptidoglicano con menos reticulación que la que se encuentra en la célula vegetativa. La corteza está envuelta en una membrana externa.Por ultimo son varios capas de esporas hecho de proteínas, que brindan protección contra el estrés ambiental, como los productos químicos y las enzimas.

Esporulación: conversión de célula vegetativa a endospora.

Esporulación, la conversión de la célula vegetativa en la endospora altamente protectora, ocurre típicamente cuando la supervivencia de la célula se ve amenazada de alguna manera. El proceso real es muy complejo y normalmente tarda varias horas en completarse. Inicialmente, las células esporulantes replican su ADN, como si estuviera a punto de sufrir una división celular. Un tabique se forma asimétricamente, secuestrando una copia del cromosoma en un extremo de la célula (llamado preespora). Se produce la síntesis de sustancias específicas de endosporas, que alteran la preespora y conducen al desarrollo de las capas específicas de una endospora, así como a la deshidratación. Finalmente, la "célula madre" es la lisis, lo que permite la liberación de la endospora madura al medio ambiente.

Esporulación.

Conversión de endospora a célula vegetativa

La endospora permanece inactiva hasta que mejoran las condiciones ambientales, lo que provoca un cambio químico que inicia la expresión génica. Hay tres etapas distintas en la conversión de una endospora a las células vegetativas metabólicamente activas: 1) activación, un paso de preparación que puede iniciarse mediante la aplicación de calor; 2) germinación, cuando la endospora se vuelve metabólicamente activa y comienza a absorber agua; 3) excrecencia, cuando la célula vegetativa emerge completamente de la capa de endosporas.

Palabras clave

citoesqueleto, FtsZ, tubulina, MreB, actina, crescentina, lamina, queratina, inclusión, glucógeno, poli-β-hidroxibutirato (PHB), gránulo de polifosfato, glóbulo de azufre, vacuola de gas, vesícula de gas, magnetosoma, microaerófilo, microcompartimento, microcompartimentos bacterianos ( BMC), carboxisoma, ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa, RubisCO, anammoxosoma, reacción de annamox, clorosoma, plásmido, curado, episoma, endospora, célula vegetativa, núcleo, proteínas pequeñas solubles en ácido (SASP), ácido dipicolínico, Ca- DPA, membrana interna, corteza, membrana externa, capa de esporas, esporulación, preesporas, activación, germinación, excrecencia.

Preguntas / objetivos esenciales

  1. ¿Cuáles son las funciones y la composición del citoesqueleto bacteriano? ¿En qué se diferencia del citoesqueleto eucariota? ¿Cuáles son las proteínas específicas del citoesqueleto bacteriano y qué detalles se conocen sobre cada una?
  2. ¿Cuál es el propósito de las inclusiones que se encuentran en las bacterias? Cuales son sus caracteristicas?
  3. ¿Cuáles son los ejemplos específicos de inclusiones de almacenamiento que se encuentran en las bacterias? Ser capaz de describir cada tipo en términos de estructura y propósito.
  4. ¿Qué otras inclusiones se encuentran en las bacterias? Ser capaz de describir cada tipo en términos de estructura y propósito.
  5. ¿En qué se diferencian los microcompartimentos de las inclusiones? ¿Cuáles son ejemplos específicos? ¿Cuál es la composición y el propósito?
  6. ¿Qué son los anammoxosomas? ¿Cuál es su composición y finalidad?
  7. ¿Qué son los plásmidos y qué características tienen? ¿Qué son los episomas? ¿Qué es curar y qué lo causa?
  8. ¿Qué son las endosporas bacterianas? Cual es su proposito? ¿Qué características tienen? ¿Cuáles son las distintas capas de una endospora y qué papel juega cada capa?

Preguntas exploratorias (OPCIONAL)

  1. ¿Qué estructuras bacterianas podrían ser útiles para los científicos para abordar los problemas sociales?

Reducir para sobrevivir: las bacterias se adaptan a un estilo de vida cambiante

¡Solo faltan unas pocas semanas para los picnics y barbacoas de verano! Tan emocionado como estás de darte un gusto este verano, Escherichia coli las bacterias están ansiosas por darse un festín con el buffet de todo lo que pueda comer que están a punto de experimentar en su intestino.

Sin embargo, ocurrirá algo inesperado cuando E. coli las células terminan su viaje a través de su tracto digestivo. Sin previo aviso, se encontrarán nadando en la taza del inodoro, aferrándose a los últimos nutrientes adheridos a sus cuerpos. ¿Cómo se adaptan estos diminutos organismos para sobrevivir a la inanición repentina? Los científicos de la Universidad de Washington en St. Louis se preguntaron.

Examen minucioso de personas privadas de nutrientes E. coli bajo el microscopio, un proceso de rutina en un laboratorio que estudia el tamaño de las células bacterianas, reveló células que se veían diferentes y que estas diferencias están relacionadas con su capacidad para sobrevivir.

"Su citoplasma se encogió. A medida que se encogió, la membrana interna se separó de la membrana externa y dejó un gran espacio en un extremo de la célula", dijo Petra Levin, profesora de biología en Artes y Ciencias, cuyo científico postdoctoral, Corey Westfall, y el estudiante de pregrado, Jesse Kao, fue el primero en hacer la observación.

El espacio al que se refiere Levin, entre las membranas interna y externa de las bacterias, se llama periplasma. En colaboración con Kerwyn Casey Huang, profesor de bioingeniería y de microbiología e inmunología en la Universidad de Stanford, y su científico postdoctoral, Handuo Shi, Levin encontró una respuesta de desarrollo inesperada a la inanición, una que puede estar manteniendo E. coli vivo hasta que encuentren su próximo buffet.

El trabajo se publica esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Los biólogos demostraron que cuando E. coli las células carecen de nutrientes, el citoplasma se vuelve más denso a medida que disminuye su volumen, probablemente debido a la pérdida de agua. Al mismo tiempo, el periplasma aumenta de volumen a medida que la membrana interna se separa de la membrana externa.

"Aunque todavía no lo sabemos con certeza, creemos que la célula está concentrando los nutrientes en el citoplasma para que pueda seguir funcionando con el metabolismo a un ritmo elevado", dijo Levin. "Quizás esta sea una adaptación a E. coliEs un estilo de vida en constante y rápido cambio, en el que sabe que cada entorno es temporal ".

El encogimiento es reversible, encontraron los científicos. Una vez que transfirieron las bacterias hambrientas a un medio rico en nutrientes, la membrana interna y el citoplasma se expandieron. Las células bacterianas se recuperaron rápidamente de la inanición, especialmente cuando E. coli recibieron su fuente de carbono favorita, la glucosa. Y, lo que es más importante, si el sistema Tol-Pal estaba intacto.

El sistema Tol-Pal es una maquinaria celular crítica compuesta de proteínas que conectan la membrana externa con la interna. Pero su función ha sido poco estudiada. A medida que la membrana interna se expande, el sistema Tol-Pal ayuda a reconectarla con la membrana externa, especulan los científicos. Cuando el sistema Tol-Pal estaba ausente, el contenido interno de las células se desangraba.

"Especulamos que Tol-Pal actúa como el deslizador de la cremallera, ayudando a que la membrana interna se deslice hacia la capa de la membrana externa durante la recuperación", dijo Levin.

¿Qué sucede con las proteínas transmembrana, incrustadas tanto en la membrana interna como en la externa, cuando la membrana interna se separa de la membrana externa? ¿Se destrozan? Levin y sus colegas aún no lo saben y esperan responder a estas preguntas en el futuro.


Biología celular y sus componentes internos

1. Identifique dos tipos diferentes de organismos que haya visto interactuar, como abejas y flores. Ahora formule una hipótesis simple sobre esta interacción. Usa el método científico y tu imaginación para diseñar un experimento que pruebe esta hipótesis. Asegúrese de identificar las variables y controlarlas.

1A
Seleccione una molécula. Enumere los átomos de los que está compuesta esa molécula y describa el tipo de enlace que mantiene unidos a esos átomos. Asegúrese de explicar cómo funciona este vínculo.

2.
1. La integridad de la membrana plasmática es esencial para la supervivencia celular. ¿Podría el sistema inmunológico utilizar este hecho para destruir células extrañas que han invadido el cuerpo? ¿Cómo podrían las células del sistema inmunológico alterar las membranas de las células extrañas? (Dos sugerencias: prácticamente todas las células pueden secretar proteínas y algunas proteínas forman poros en las membranas).
2. La mayoría de las células son muy pequeñas. ¿Qué limitaciones físicas y metabólicas limitan el tamaño de las células? ¿Qué problemas encontraría una célula enorme? ¿Qué adaptaciones podrían ayudar a sobrevivir a una célula muy grande?
3.Cuando un oso pardo se come un salmón, ¿adquiere el oso toda la energía contenida en el cuerpo del pez? ¿Por qué o por qué no? ¿Qué implicaciones crees que tendría esta respuesta para la abundancia relativa (por peso) de depredadores y sus presas? ¿La segunda ley de la termodinámica ayuda a explicar el título del libro, Por qué son raros los animales grandes y feroces?
4. Se le llama ante el Comité de Medios y Arbitrios de la Cámara de Representantes para explicar por qué el Departamento de Agricultura de EE. UU. Debería continuar financiando la investigación de la fotosíntesis. ¿Cómo justificaría el gasto de producir, mediante ingeniería genética, la enzima que cataliza la reacción de RuBP con CO2 y evita que RuBP reaccione tanto con oxígeno como con CO2? ¿Cuáles son los posibles beneficios aplicados de esta investigación?
Algunas especies de bacterias que viven en la superficie de los sedimentos en el fondo de los lagos son anaerobios facultativos, es decir, son capaces de realizar respiración aeróbica o anaeróbica. ¿Cómo cambiará su metabolismo durante el verano cuando el agua profunda se vuelva anóxica (desoxigenada)? Si las bacterias continúan creciendo al mismo ritmo, ¿aumentará, disminuirá o permanecerá igual la glucólisis después de que el lago se vuelva anóxico? Explicar por qué.

© BrainMass Inc. brainmass.com 4 de marzo de 2021, 6:11 pm ad1c9bdddf
https://brainmass.com/biology/research-methods-and-experimental-design/cell-biology-and-its-internal-components-33804

Vista previa de la solución

Hola, bienvenido a Brainmass.
1. UNA CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL PARA PROBAR LA ATRACCIÓN DE LAS ABEJAS A LAS FLORES:

OBSERVACIÓN:
Las abejas visitan las flores de un arbusto con más frecuencia que del otro. ¿Es el dulce aroma o el color de las flores lo que atrae a las abejas?

HIPÓTESIS:
1. Las abejas se sienten atraídas por el aroma dulce (contenido de azúcar de las flores).
2. Las abejas se sienten atraídas por el color de las flores.

CONFIGURACIONES EXPERIMENTALES Y DE CONTROL:
En la configuración experimental, la variable experimental está presente. En la configuración de control, falta la variable experimental.
Para probar la primera hipótesis de si las abejas se sienten atraídas por el azúcar, se deben instalar 2 juegos de flores. Por ejemplo, para el montaje 1, se utilizará una flor amarilla y se colocará agua corriente en su centro. Esto se marcará como la configuración de control. Otro montaje, que se etiquetará como montaje experimental, tendrá una flor idéntica con una solución de azúcar colocada en su centro. La presencia de azúcar es la variable experimental en este caso.

Para probar la segunda hipótesis de si las abejas se sienten atraídas por el color de las flores, se colocará una solución de azúcar en 2 juegos de flores en el centro de cada flor. La instalación de control tendrá una flor amarilla con solución azucarada. Esto se etiquetará como la configuración de control. Otra flor con una solución de azúcar colocada en su centro diferirá en color con la primera flor. por ejemplo, una flor de color azul. Esto se etiquetará como la configuración experimental, porque contiene la variable experimental en este caso: color.

PREDICCIÓN:
(A continuación, se realizará una predicción lógica en forma de una afirmación & quot. SI. Entonces. Esta afirmación propone lo que sucederá si la hipótesis es correcta & gt
Predicción para la hipótesis 1: si las abejas se sienten atraídas por la solución de azúcar, habrá más abejas en la flor experimental que en la flor de control.
Predicción para la hipótesis 2: si las abejas se sienten atraídas por el color azul, habrá más.

Resumen de la solución

Esta solución en profundidad aborda los conceptos de biología celular de estructura interna, problemas de área de superficie y células inmunes. También explica el proceso de respiración aeróbica y anaeróbica.


Componentes bacterianos estreptocócicos en la terapia del cáncer

La tasa de incidencia del cáncer aumenta constantemente en todo el mundo y existe una necesidad urgente de desarrollar estrategias de tratamiento novedosas y más eficaces. Recientemente, se ha investigado la terapia bacteriana como un nuevo enfoque para atacar el cáncer y se está convirtiendo en una opción seria. Las cepas de Streptococcus se encuentran entre las bacterias virulentas más comunes y mejor estudiadas que causan una variedad de infecciones humanas. Todo el mundo ha experimentado dolor de garganta durante su vida o ha sido colonizado asintomáticamente por estreptococos. La capacidad de la bacteria Streptococcus para combatir el cáncer se descubrió hace más de 100 años y, a lo largo de los años, se ha sometido a ensayos clínicos, pero el mecanismo aún no se comprende por completo. Recientemente, se han informado varios modelos animales y ensayos clínicos en humanos. Las cepas de estreptococos pueden tener una actividad antitumoral intrínseca o pueden activar el sistema inmunológico del huésped para combatir el tumor. Las bacterias pueden acumularse y proliferar selectivamente en las regiones hipóxicas de los tumores sólidos. Además, las bacterias pueden modificarse genéticamente para secretar toxinas o enzimas que pueden atacar específicamente los tumores.


El modelado matemático define el desarrollo de biopelículas bacterianas

Muchas bacterias pueden adherirse a superficies sólidas y dividirse hasta que su progenie forme una estructura llamada biopelícula, como la que se muestra en esta imagen estilizada producida por el Laboratorio Drescher en el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre.

El grupo de Jörn Dunkel en el Departamento de Matemáticas del MIT se une a científicos de laboratorio para comprender cómo las bacterias interactúan entre sí y con sus entornos.

Saima Sidik

Saima Sidik es investigadora asociada en el laboratorio de Lourido en el Whitehead Institute. Esta pieza es parte de un esfuerzo departamental para resaltar la investigación biológicamente relevante que se realiza fuera de las disciplinas y departamentos tradicionales de las ciencias de la vida en el MIT.

"El quid del problema". "La raíz del problema." "La verdad del asunto." Muy a menudo queremos destilar sustancias, sistemas o vida, hasta una sola esencia: un químico aísla compuestos clave de mezclas complejas, un escritor busca el núcleo de verdad escondido en una historia y un yogui medita para encontrar un significado interno. En el Departamento de Matemáticas del MIT, Jörn Dunkel recurre a las matemáticas para descubrir los componentes fundamentales de los procesos físicos. Su grupo ha identificado recientemente características clave que regulan el crecimiento bacteriano, hallazgos que eventualmente podrían reducir la frecuencia de infecciones adquiridas en el hospital, hacer que los antibióticos sean más efectivos e incluso crear materiales de autocuración.

El grupo de Dunkel crea modelos matemáticos de sistemas físicos a medida que cambian a través del tiempo y el espacio. Han estudiado el pandeo de los elásticos, la rotura de la pasta y, más recientemente, el crecimiento de comunidades bacterianas. Uno no podría esperar encontrar un grupo de matemáticos inmersos en biología y, sin embargo, el grupo de Dunkel ha hecho grandes avances hacia la comprensión del proceso en el que las bacterias abandonan su capacidad para nadar, adherirse a una superficie sólida (como el casco de un barco o el revestimiento de un tracto digestivo) y se dividen hasta que formen un montículo llamado "biopelícula". Las biopelículas protegen las células dentro de ellas, lo que les permite sobrevivir a la presión inmunitaria, los antibióticos y el estrés ambiental, lo que hace que la formación de biopelículas sea fundamental para que algunas bacterias sobrevivan en condiciones adversas. Al comprender los factores que impulsan estas estructuras patógenas, los investigadores pueden encontrar formas de limitar la formación de biopelículas.

En colaboración con el laboratorio de Knut Drescher en el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, el grupo Dunkel construye modelos matemáticos que describen cómo se desarrollan las biopelículas. El laboratorio de Drescher toma videos de alta resolución de biopelículas que crecen en el transcurso de varias horas, y luego pasan estos videos al laboratorio de Dunkel. Los matemáticos examinan los videos y extraen todo tipo de información que pueda ser biológicamente relevante: la orientación de las células, el movimiento, la tasa de división, la distancia entre las células y muchas otras características.

El grupo de Jörn Dunkel trabaja en una variedad de proyectos diversos con colaboradores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, la Universidad de Stanford y el laboratorio de Adam Martin en MIT Biology. Crédito: Bryce Vickmark.

Solo recientemente, los avances en la obtención de imágenes de biopelículas han permitido a los investigadores ver bacterias individuales dentro de las biopelículas y medir las características que utiliza el grupo Dunkel en sus modelos. "Obtienes conjuntos de datos tan ricos que los métodos tradicionales de construcción de modelos se vuelven inviables", dice Dunkel. “Hace diez años, no habría tenido sentido pensar en estas preguntas porque no teníamos la tecnología para responderlas”.

Con datos tan extensos, el desafío al que se enfrentan ahora los matemáticos es descubrir cómo describir el comportamiento de las biopelículas en términos de un conjunto mínimo de sus muchas características. Y así, con una eficiencia feroz que enorgullecería a la gurú de la organización Marie Kondo, alinean todas las medidas que pueden tomar, luego eliminan las que no aclaran el sistema, hasta que hayan identificado la cantidad mínima de características que pueden explicar el comportamiento de las bacterias. Sus resultados indican que las fuerzas de atracción entre las bacterias, junto con las limitaciones espaciales que experimentan cuando se reproducen, son esenciales para dar forma al desarrollo de la biopelícula.

El grupo Dunkel espera que su trabajo ayude a limitar las infecciones bacterianas adquiridas en el hospital. Los dispositivos médicos como marcapasos o catéteres pueden convertirse en el hogar de estas acumulaciones de bacterias si estos dispositivos entran en contacto con guantes sucios o agua. A partir de ahí, las infecciones pueden propagarse y causar infecciones de la sangre, orina, piel y pulmones, entre otros problemas. Debido a que las bacterias en el centro de las biopelículas están protegidas de los antibióticos, estas infecciones pueden ser muy difíciles de tratar. Los modelos del laboratorio Dunkel revelan que el simple hecho de cambiar la forma de un dispositivo médico puede hacer que sea menos probable que apoye la formación de biopelículas, o hacer que las biopelículas que alberga sean más susceptibles al tratamiento con antibióticos.

Phillip Pearce, un instructor de matemáticas aplicadas que trabaja con Dunkel en el MIT, dirige una rama de la investigación del grupo que se centra en cómo se desarrollan las biopelículas cuando el líquido se mueve sobre ellas: una situación que es fundamental para comprender las biopelículas en dispositivos médicos donde líquidos como sangre y orina pasa con frecuencia. Explicó cómo él y el resto del grupo de Dunkel comenzaron con una lista de características de biopelícula y modelos derivados que identificaron los procesos físicos que son necesarios para explicar estas características observadas.

Cuando las bacterias se dividen, las nuevas bacterias necesitan un lugar adonde ir. Esto presenta un problema para las bacterias cuando están ancladas en su lugar, ya que se encuentran en medio de las biopelículas. Dado que estas bacterias no siempre pueden extenderse horizontalmente, las limitaciones espaciales las obligan a pararse, lo que hace que la biopelícula crezca verticalmente. Esto da como resultado una estructura muy organizada con las bacterias internas pegadas hacia arriba, como listones en una valla de estacas. Después de examinar muchas combinaciones de características de biopelículas en sus modelos, el grupo de Dunkel se dio cuenta de que las fuerzas que las bacterias ejercen unas sobre otras cuando crecen juegan un papel importante en dictar este arreglo de valla de estacas. Las bacterias en la parte frontal del biofilm también son forzadas a una orientación vertical, mejorando la organización regular del biofilm.

Al rediseñar los dispositivos médicos para incluir formas complejas, los investigadores podrían limitar la capacidad de cualquier bacteria que los colonice para mostrar arreglos tan regulares. Esto podría hacer que las biopelículas sean más susceptibles al tratamiento con antibióticos, o puede evitar que se formen en primer lugar.

Phillip Pearce es un instructor en el departamento de matemáticas del MIT que trabajó con Dunkel para comprender cómo las bacterias en las biopelículas interactúan físicamente entre sí y con sus entornos.

Mientras algunos miembros del grupo Dunkel intentan frustrar la formación de biopelículas, Boya Song, un estudiante de posgrado, investiga situaciones en las que las biopelículas pueden ser útiles. Parte de lo que mantiene unidas estas estructuras es una matriz pegajosa de proteínas, azúcares y grasas que secretan las bacterias. El grupo de Dunkel piensa que si pueden manipular la forma de las biopelículas, también pueden manipular la forma de esta matriz.

“Las biopelículas podrían usarse para formar nuevos biomateriales basados ​​en las formas de celosía que producen las células”, dice Song. Estos materiales podrían formar revestimientos protectores para los cascos de los barcos o para los metales sumergidos. Algunas bacterias depositan minerales y estos podrían programarse para reparar huesos o incluso reparar cemento agrietado.

Dunkel está entusiasmado con esta posibilidad. "¡Quizás si entendemos la formación de biopelículas, realmente podamos programarlas!" él dice.

Comprender cómo programar biopelículas implica comprender las proteínas de la superficie llamadas "adhesinas" que actúan como ganchos para mantener unidas a las bacterias. Los modelos del grupo Dunkel muestran que cuando las bacterias están en un líquido casi estacionario, las fuerzas adhesivas generadas por estas proteínas de la superficie dictan en gran medida el tamaño de una biopelícula y la disposición de las células dentro de ella.

Rachel Mok, otra estudiante de posgrado del grupo Dunkel, llevó a cabo una prueba de manejo de su modelo de adhesión aplicándolo a bacterias que expresan diferentes niveles de adhesina en respuesta a concentraciones variables de un fármaco. Mok ajustó su modelo para dar cuenta de esta manipulación experimental de la fuerza de atracción entre bacterias, y descubrió que podía predecir cómo se comportarían las bacterias.

"Es bastante increíble que a pesar de que hemos descuidado muchas características biológicas, como la disponibilidad de nutrientes, todavía podemos capturar la dinámica que vemos en las biopelículas en etapa temprana", dice.

Además de alterar los niveles de adhesina, el grupo Dunkel tiene colaboradores en el laboratorio Riedel-Kruse de la Universidad de Stanford que pueden variar el funcionamiento de las adhesinas. Las proteínas adhesivas típicas pueden agarrar otras proteínas o pueden agarrarse. Al otorgar adhesinas genéticamente alteradas a las bacterias, han podido dividir estas dos funciones, lo que da como resultado un grupo de bacterias que solo puede agarrar a otras y otro que solo puede agarrarse. Al mezclar estos dos grupos en diferentes proporciones, pueden manipular la forma de las biopelículas resultantes.

Song planea combinar el conocimiento del grupo Dunkel con respecto a las adhesinas con los hallazgos de sus colaboradores para obtener aún más control sobre la forma de la biopelícula. Quizás algún día la tecnología que crean juntos les permita usar bacterias para "imprimir" materiales en cualquier forma que elijan. Debido a que las bacterias dentro de una biopelícula pueden secretar material adicional si la matriz se daña, esto daría como resultado un material de construcción programable, vivo y autocurativo. Los modelos que está desarrollando Song son un paso temprano en este ambicioso proyecto, que tiene el potencial de cambiar la faz de la ciencia de los materiales.

Desde la microscopía de alta resolución hasta la genética bacteriana y el modelado matemático, descubrir las biopelículas es un problema inherentemente interdisciplinario. El grupo Dunkel ha identificado características esenciales que definen el desarrollo de biopelículas y sus modelos predicen cómo se desarrollan estas estructuras, ya sea en el casco de un barco o en el laboratorio. Al juntar sus mentes, ellos y sus colaboradores están reescribiendo las reglas para abordar las biopelículas, ya sea para prevenir su crecimiento o aprovecharlo.

Boya Song (izquierda) y Rachel Mok (derecha), ambos estudiantes graduados del grupo Dunkel, están determinando qué características son más importantes para el desarrollo de biopelículas. Con este conocimiento, esperan aprovechar las biopelículas con fines constructivos y, al mismo tiempo, evitar que afecten la salud humana.


Algunas bacterias tienen la capacidad de formar la etapa de reposo altamente resistente durante condiciones ambientales desfavorables llamadas esporas.

Las esporas bacterianas se forman dentro de la célula bacteriana, se denominan endosporas.

La esporulación es el proceso por el cual las células bacterianas forman esporas en condiciones desfavorables.

La espora se desarrolla a partir de una parte del protoplasma que se llama preespora cerca de un extremo de la célula y la parte restante de la célula se llama esporangio.

Forma y posición de las esporas -

»Formas & # 8211 Ovaladas o Esféricas

  1. Esporas que no abultan - central / sub-terminal / terminal
  2. Esporas abultadas - central / sub-terminal / terminal

Las esporas bacterianas son muy resistentes a la ebullición, los desinfectantes y los golpes ordinarios.

La germinación es el proceso de conversión de esporas bacterianas en una célula vegetativa en condiciones adecuadas.


Contenido

"Biología" deriva de las palabras griegas antiguas de βίος bíos romanizados que significa "vida" y -λογία logía romanizada (-logía) que significa "rama de estudio" o "hablar". [11] [12] Esos combinados hacen que la palabra griega βιολογία romanizada biología significa biología. A pesar de esto, el término βιολογία en su conjunto no existía en griego antiguo. El primero en tomarlo prestado fue el inglés y el francés (biologie). Históricamente hubo otro término para "biología" en inglés, de por vida, rara vez se usa hoy en día.

La forma en latín del término apareció por primera vez en 1736 cuando el científico sueco Carl Linnaeus (Carl von Linné) utilizó biologi en su Bibliotheca Botanica. Se volvió a utilizar en 1766 en una obra titulada Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generalis, de Michael Christoph Hanov, discípulo de Christian Wolff. El primer uso alemán, Biologie, estaba en una traducción de 1771 de la obra de Linneo. En 1797, Theodor Georg August Roose usó el término en el prefacio de un libro, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach utilizó el término en 1800 en un sentido más restringido del estudio de los seres humanos desde una perspectiva morfológica, fisiológica y psicológica (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). El término entró en su uso moderno con el tratado de seis volúmenes Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802-22) de Gottfried Reinhold Treviranus, quien anunció: [13]

Los objetos de nuestra investigación serán las diferentes formas y manifestaciones de la vida, las condiciones y leyes bajo las cuales ocurren estos fenómenos y las causas a través de las cuales han sido afectados. La ciencia que se ocupa de estos objetos la indicaremos con el nombre de biología [Biologie] o doctrina de la vida [Lebenslehre].

Las primeras raíces de la ciencia, que incluían la medicina, se remontan al antiguo Egipto y Mesopotamia entre el 3000 y el 1200 a. C. [14] [15] Sus contribuciones más tarde entraron y dieron forma a la filosofía natural griega de la antigüedad clásica. [14] [15] [16] [17] Los filósofos griegos antiguos como Aristóteles (384–322 a. C.) contribuyeron ampliamente al desarrollo del conocimiento biológico. Sus obras como Historia de los animales Fueron especialmente importantes porque revelaron sus inclinaciones naturalistas, y luego trabajos más empíricos que se centraron en la causalidad biológica y la diversidad de la vida. El sucesor de Aristóteles en el Liceo, Teofrasto, escribió una serie de libros sobre botánica que sobrevivieron como la contribución más importante de la antigüedad a las ciencias de las plantas, incluso hasta la Edad Media. [18]

Los eruditos del mundo islámico medieval que escribieron sobre biología incluyeron al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), que escribió sobre botánica, [19] y Rhazes (865–925) que escribió sobre anatomía y fisiología. .La medicina fue especialmente bien estudiada por los eruditos islámicos que trabajaban en las tradiciones de los filósofos griegos, mientras que la historia natural se basó en gran medida en el pensamiento aristotélico, especialmente en la defensa de una jerarquía de vida fija.

La biología comenzó a desarrollarse y crecer rápidamente con la espectacular mejora del microscopio de Anton van Leeuwenhoek. Fue entonces cuando los estudiosos descubrieron los espermatozoides, las bacterias, los infusorios y la diversidad de la vida microscópica. Las investigaciones de Jan Swammerdam dieron lugar a un nuevo interés en la entomología y ayudaron a desarrollar las técnicas básicas de disección microscópica y tinción. [20]

Los avances en microscopía también tuvieron un impacto profundo en el pensamiento biológico. A principios del siglo XIX, varios biólogos señalaron la importancia central de la célula. Luego, en 1838, Schleiden y Schwann comenzaron a promover las ideas ahora universales de que (1) la unidad básica de los organismos es la célula y (2) que las células individuales tienen todas las características de la vida, aunque se oponían a la idea de que (3) todos las células provienen de la división de otras células. Sin embargo, gracias al trabajo de Robert Remak y Rudolf Virchow, en la década de 1860 la mayoría de los biólogos aceptaban los tres principios de lo que llegó a conocerse como teoría celular. [21] [22]

Mientras tanto, la taxonomía y la clasificación se convirtieron en el centro de atención de los historiadores naturales. Carl Linnaeus publicó una taxonomía básica para el mundo natural en 1735 (cuyas variaciones se han utilizado desde entonces), y en la década de 1750 introdujo nombres científicos para todas sus especies. [23] Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon, trató las especies como categorías artificiales y las formas vivas como maleables, sugiriendo incluso la posibilidad de una descendencia común. Aunque se oponía a la evolución, Buffon es una figura clave en la historia del pensamiento evolutivo, su trabajo influyó en las teorías evolutivas tanto de Lamarck como de Darwin. [24]

El pensamiento evolutivo serio se originó con las obras de Jean-Baptiste Lamarck, quien fue el primero en presentar una teoría coherente de la evolución. [26] Postuló que la evolución era el resultado del estrés ambiental sobre las propiedades de los animales, lo que significa que cuanto más frecuente y rigurosamente se usaba un órgano, más complejo y eficiente se volvería, adaptando así al animal a su entorno. Lamarck creía que estos rasgos adquiridos podrían luego transmitirse a la descendencia del animal, quien los desarrollaría y perfeccionaría aún más. [27] Sin embargo, fue el naturalista británico Charles Darwin, que combinó el enfoque biogeográfico de Humboldt, la geología uniformista de Lyell, los escritos de Malthus sobre el crecimiento de la población y su propia experiencia morfológica y extensas observaciones naturales, quien forjó una teoría evolutiva más exitosa basada en sobre la selección natural, razonamientos y pruebas similares llevaron a Alfred Russel Wallace a llegar de forma independiente a las mismas conclusiones. [28] [29] La teoría de la evolución por selección natural de Darwin se extendió rápidamente a través de la comunidad científica y pronto se convirtió en un axioma central de la ciencia de la biología en rápido desarrollo.

La base de la genética moderna comenzó con el trabajo de Gregor Mendel, quien presentó su artículo "Versuche über Pflanzenhybriden"(" Experimentos sobre hibridación de plantas "), en 1865, [30] que esbozó los principios de la herencia biológica, que sirvieron de base para la genética moderna. [31] Sin embargo, la importancia de su trabajo no se comprendió hasta principios del siglo XX. cuando la evolución se convirtió en una teoría unificada cuando la síntesis moderna reconcilió la evolución darwiniana con la genética clásica. [32] En la década de 1940 y principios de la de 1950, una serie de experimentos de Alfred Hershey y Martha Chase señalaron al ADN como el componente de los cromosomas que tenía el rasgo: que llevaban unidades que se conocían como genes. Un enfoque en nuevos tipos de organismos modelo como virus y bacterias, junto con el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN por James Watson y Francis Crick en 1953, marcó la transición a la era de la genética molecular. Desde la década de 1950 hasta la actualidad, la biología se ha extendido enormemente en el dominio molecular. El código genético fue descifrado por Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg af Se entendía que el ADN ter contenía codones. Finalmente, el Proyecto Genoma Humano se lanzó en 1990 con el objetivo de mapear el genoma humano general. Este proyecto se completó esencialmente en 2003, [33] y aún se están publicando análisis adicionales. El Proyecto Genoma Humano fue el primer paso en un esfuerzo globalizado para incorporar el conocimiento acumulado de la biología en una definición funcional y molecular del cuerpo humano y los cuerpos de otros organismos.

Base química

Átomos y moléculas

Todos los organismos vivos están formados por materia y toda la materia está formada por elementos. [34] El oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno son los cuatro elementos que representan el 96% de todos los organismos vivos, y el calcio, fósforo, azufre, sodio, cloro y magnesio representan el 3,7% restante. [34] Se pueden combinar diferentes elementos para formar compuestos como el agua, que es fundamental para la vida. [34] La vida en la Tierra comenzó a partir del agua y permaneció allí durante aproximadamente tres mil millones de años antes de migrar a la tierra. [35] La materia puede existir en diferentes estados como sólido, líquido o gas.

La unidad más pequeña de un elemento es un átomo, que está compuesto por un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está formado por uno o más protones y varios neutrones. Los átomos individuales pueden mantenerse unidos mediante enlaces químicos para formar moléculas y compuestos iónicos. [34] Los tipos comunes de enlaces químicos incluyen enlaces iónicos, enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno. El enlace iónico implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta, o entre dos átomos con electronegatividades marcadamente diferentes, [36] y es la interacción principal que ocurre en los compuestos iónicos. Los iones son átomos (o grupos de átomos) con carga electrostática. Los átomos que ganan electrones producen iones con carga negativa (llamados aniones), mientras que los que pierden electrones producen iones con carga positiva (llamados cationes).

A diferencia de los enlaces iónicos, un enlace covalente implica el intercambio de pares de electrones entre átomos. Estos pares de electrones y el equilibrio estable de fuerzas de atracción y repulsión entre átomos, cuando comparten electrones, se conoce como enlace covalente. [37]

Un enlace de hidrógeno es principalmente una fuerza de atracción electrostática entre un átomo de hidrógeno que está unido covalentemente a un átomo o grupo más electronegativo, como el oxígeno. Un ejemplo omnipresente de un enlace de hidrógeno se encuentra entre las moléculas de agua. En una molécula de agua discreta, hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Dos moléculas de agua pueden formar un enlace de hidrógeno entre ellas. Cuando hay más moléculas presentes, como es el caso del agua líquida, son posibles más enlaces porque el oxígeno de una molécula de agua tiene dos pares de electrones solitarios, cada uno de los cuales puede formar un enlace de hidrógeno con un hidrógeno en otra molécula de agua.

Compuestos orgánicos

Con la excepción del agua, casi todas las moléculas que componen cada organismo vivo contienen carbono. [38] [39] El carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados, que son fuertes y estables. La forma más simple de una molécula orgánica es el hidrocarburo, que es una gran familia de compuestos orgánicos que se componen de átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. Un esqueleto de hidrocarburo puede estar sustituido por otros átomos. Cuando se combina con otros elementos como oxígeno, hidrógeno, fósforo y azufre, el carbono puede formar muchos grupos de compuestos biológicos importantes como azúcares, grasas, aminoácidos y nucleótidos.

Macromoléculas

Moléculas como azúcares, aminoácidos y nucleótidos pueden actuar como unidades únicas repetidas llamadas monómeros para formar moléculas en forma de cadena llamadas polímeros a través de un proceso químico llamado condensación. [40] Por ejemplo, los aminoácidos pueden formar polipéptidos, mientras que los nucleótidos pueden formar cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN) o ácido ribonucleico (ARN). Los polímeros forman tres de las cuatro macromoléculas (polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) que se encuentran en todos los organismos vivos. Cada macromolécula juega un papel especializado dentro de cualquier célula. Algunos polisacáridos, por ejemplo, pueden funcionar como material de almacenamiento que puede hidrolizarse para proporcionar azúcar a las células. Los lípidos son la única clase de macromoléculas que no están formadas por polímeros y los lípidos biológicamente más importantes son las grasas, los fosfolípidos y los esteroides. [40] Las proteínas son las más diversas de las macromoléculas, que incluyen enzimas, proteínas de transporte, grandes moléculas de señalización, anticuerpos y proteínas estructurales. Finalmente, los ácidos nucleicos almacenan, transmiten y expresan información hereditaria. [40]

Células

La teoría celular establece que las células son las unidades fundamentales de la vida, que todos los seres vivos están compuestos por una o más células y que todas las células surgen de células preexistentes a través de la división celular. [41] La mayoría de las células son muy pequeñas, con diámetros que oscilan entre 1 y 100 micrómetros y, por lo tanto, solo son visibles con un microscopio óptico o electrónico. [42] Generalmente hay dos tipos de células: células eucariotas, que contienen un núcleo, y células procariotas, que no lo tienen. Los procariotas son organismos unicelulares como las bacterias, mientras que los eucariotas pueden ser unicelulares o multicelulares. En los organismos multicelulares, cada célula del cuerpo del organismo se deriva en última instancia de una sola célula en un óvulo fertilizado.

Estructura celular

Cada célula está encerrada dentro de una membrana celular que separa su citoplasma del espacio extracelular. [43] Una membrana celular consta de una bicapa lipídica, incluidos los colesteroles que se encuentran entre los fosfolípidos para mantener su fluidez a diversas temperaturas. Las membranas celulares son semipermeables, lo que permite el paso de pequeñas moléculas como el oxígeno, el dióxido de carbono y el agua, al tiempo que restringe el movimiento de moléculas más grandes y partículas cargadas como los iones. [44] Las membranas celulares también contienen proteínas de membrana, incluidas proteínas de membrana integrales que atraviesan la membrana y sirven como transportadores de membrana, y proteínas periféricas que se adhieren libremente al lado externo de la membrana celular, actuando como enzimas que dan forma a la célula. [45] Las membranas celulares están involucradas en varios procesos celulares como la adhesión celular, el almacenamiento de energía eléctrica y la señalización celular, y sirven como superficie de unión para varias estructuras extracelulares como la pared celular, el glucocáliz y el citoesqueleto.

Dentro del citoplasma de una célula, hay muchas biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. [46] Además de las biomoléculas, las células eucariotas tienen estructuras especializadas llamadas orgánulos que tienen sus propias bicapas lipídicas o son unidades espaciales. Estos orgánulos incluyen el núcleo celular, que contiene la información genética de una célula, o las mitocondrias, que genera trifosfato de adenosina (ATP) para impulsar los procesos celulares. Otros orgánulos como el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi juegan un papel en la síntesis y empaquetamiento de proteínas, respectivamente. Las biomoléculas, como las proteínas, pueden ser engullidas por lisosomas, otro orgánulo especializado. Las células vegetales tienen orgánulos adicionales que las distinguen de las células animales, como la pared celular, los cloroplastos y la vacuola.

Metabolismo

Todas las células requieren energía para mantener los procesos celulares. La energía es la capacidad de realizar un trabajo que, en termodinámica, se puede calcular utilizando la energía libre de Gibbs. Según la primera ley de la termodinámica, la energía se conserva, es decir, no se puede crear ni destruir. Por lo tanto, las reacciones químicas en una célula no crean nueva energía, sino que participan en la transformación y transferencia de energía. [47] Sin embargo, todas las transferencias de energía conducen a una cierta pérdida de energía utilizable, lo que aumenta la entropía (o estado de desorden) como lo establece la segunda ley de la termodinámica. Como resultado, los organismos vivos como las células requieren un aporte continuo de energía para mantener un bajo estado de entropía. En las células, la energía puede transferirse como electrones durante las reacciones redox (reducción-oxidación), almacenarse en enlaces covalentes y generarse por el movimiento de iones (por ejemplo, hidrógeno, sodio, potasio) a través de una membrana.

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que sustentan la vida en los organismos. Los tres propósitos principales del metabolismo son: la conversión de alimentos en energía para ejecutar procesos celulares, la conversión de alimentos / combustible en componentes básicos para proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y algunos carbohidratos y la eliminación de desechos metabólicos. Estas reacciones catalizadas por enzimas permiten que los organismos crezcan y se reproduzcan, mantengan sus estructuras y respondan a sus entornos. Las reacciones metabólicas pueden clasificarse como catabólicas: la descomposición de compuestos (por ejemplo, la descomposición de glucosa en piruvato mediante la respiración celular) o anabólicas: la acumulación (síntesis) de compuestos (como proteínas, carbohidratos, lípidos y compuestos nucleicos). ácidos). Por lo general, el catabolismo libera energía y el anabolismo consume energía.

Las reacciones químicas del metabolismo se organizan en rutas metabólicas, en las que una sustancia química se transforma a través de una serie de pasos en otra sustancia química, cada paso es facilitado por una enzima específica. Las enzimas son cruciales para el metabolismo porque permiten que los organismos impulsen reacciones deseables que requieren energía que no ocurrirán por sí mismos, al acoplarlas a reacciones espontáneas que liberan energía. Las enzimas actúan como catalizadores (permiten que una reacción se desarrolle más rápidamente sin ser consumidas por ella) al reducir la cantidad de energía de activación necesaria para convertir los reactivos en productos. Las enzimas también permiten la regulación de la velocidad de una reacción metabólica, por ejemplo, en respuesta a cambios en el entorno celular o a señales de otras células.

Respiración celular

La respiración celular es un conjunto de reacciones y procesos metabólicos que tienen lugar en las células de los organismos para convertir la energía química de los nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP) y luego liberar productos de desecho. [48] ​​Las reacciones involucradas en la respiración son reacciones catabólicas, que rompen moléculas grandes en otras más pequeñas, liberando energía porque los enlaces débiles de alta energía, en particular en el oxígeno molecular, [49] son ​​reemplazados por enlaces más fuertes en los productos. La respiración es una de las formas clave en que una célula libera energía química para impulsar la actividad celular. La reacción general ocurre en una serie de pasos bioquímicos, algunos de los cuales son reacciones redox. Aunque la respiración celular es técnicamente una reacción de combustión, claramente no se parece a una cuando ocurre en una célula viva debido a la liberación lenta y controlada de energía de la serie de reacciones.

El azúcar en forma de glucosa es el principal nutriente utilizado por las células animales y vegetales en la respiración. La respiración celular que involucra oxígeno se llama respiración aeróbica, que tiene cuatro etapas: glucólisis, ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs), cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. [50] La glucólisis es un proceso metabólico que ocurre en el citoplasma mediante el cual la glucosa se convierte en dos piruvatos, produciéndose dos moléculas netas de ATP al mismo tiempo. [50] Cada piruvato se oxida a acetil-CoA por el complejo de piruvato deshidrogenasa, que también genera NADH y dióxido de carbono. Acetil-Coa entra en el ciclo del ácido cítrico, que tiene lugar dentro de la matriz mitocondrial. Al final del ciclo, el rendimiento total de 1 glucosa (o 2 piruvatos) es 6 NADH, 2 FADH2y 2 moléculas de ATP. Finalmente, la siguiente etapa es la fosforilación oxidativa, que en eucariotas ocurre en las crestas mitocondriales. La fosforilación oxidativa comprende la cadena de transporte de electrones, que es una serie de cuatro complejos de proteínas que transfieren electrones de un complejo a otro, liberando así energía de NADH y FADH.2 que se acopla al bombeo de protones (iones de hidrógeno) a través de la membrana mitocondrial interna (quimiosmosis), lo que genera una fuerza motriz de protones. [50] La energía de la fuerza motriz del protón impulsa a la enzima ATP sintasa a sintetizar más ATP mediante la fosforilación de ADP. La transferencia de electrones termina siendo el oxígeno molecular el aceptor final de electrones.

Si el oxígeno no estuviera presente, el piruvato no se metabolizaría por respiración celular sino que se somete a un proceso de fermentación. El piruvato no se transporta a la mitocondria, sino que permanece en el citoplasma, donde se convierte en productos de desecho que pueden eliminarse de la célula. Esto sirve para oxidar los portadores de electrones para que puedan realizar nuevamente la glucólisis y eliminar el exceso de piruvato. La fermentación oxida el NADH a NAD + para que pueda reutilizarse en la glucólisis. En ausencia de oxígeno, la fermentación evita la acumulación de NADH en el citoplasma y proporciona NAD + para la glucólisis. Este producto de desecho varía según el organismo. En los músculos esqueléticos, el producto de desecho es el ácido láctico. Este tipo de fermentación se llama fermentación del ácido láctico. En el ejercicio intenso, cuando las demandas de energía superan el suministro de energía, la cadena respiratoria no puede procesar todos los átomos de hidrógeno unidos por NADH. Durante la glucólisis anaeróbica, NAD + se regenera cuando pares de hidrógeno se combinan con piruvato para formar lactato. La formación de lactato es catalizada por lactato deshidrogenasa en una reacción reversible. El lactato también se puede utilizar como precursor indirecto del glucógeno hepático. Durante la recuperación, cuando el oxígeno está disponible, el NAD + se une al hidrógeno del lactato para formar ATP. En la levadura, los productos de desecho son etanol y dióxido de carbono. Este tipo de fermentación se conoce como fermentación alcohólica o etanólica. El ATP generado en este proceso se produce mediante fosforilación a nivel de sustrato, que no requiere oxígeno.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso utilizado por las plantas y otros organismos para convertir la energía luminosa en energía química que luego puede liberarse para alimentar las actividades metabólicas del organismo a través de la respiración celular. Esta energía química se almacena en moléculas de carbohidratos, como los azúcares, que se sintetizan a partir del dióxido de carbono y el agua. [51] [52] [53] En la mayoría de los casos, el oxígeno también se libera como producto de desecho. La mayoría de las plantas, algas y cianobacterias realizan la fotosíntesis, que es en gran parte responsable de producir y mantener el contenido de oxígeno de la atmósfera terrestre y suministra la mayor parte de la energía necesaria para la vida en la Tierra. [54]

La fotosíntesis tiene cuatro etapas: absorción de luz, transporte de electrones, síntesis de ATP y fijación de carbono. [50] La absorción de luz es el paso inicial de la fotosíntesis mediante el cual la energía de la luz es absorbida por los pigmentos de clorofila adheridos a las proteínas en las membranas tilacoides. La energía luminosa absorbida se utiliza para eliminar electrones de un donante (agua) a un aceptor de electrones primario, una quinona designada como Q. En la segunda etapa, los electrones se mueven desde el aceptor de electrones primario de quinona a través de una serie de portadores de electrones hasta que alcanzan un aceptor final de electrones, que suele ser la forma oxidada de NADP +, que se reduce a NADPH, un proceso que tiene lugar en un complejo proteico llamado fotosistema I (PSI).El transporte de electrones está acoplado al movimiento de protones (o hidrógeno) desde el estroma a la membrana tilacoide, que forma un gradiente de pH a través de la membrana a medida que el hidrógeno se concentra más en la luz que en el estroma. Esto es análogo a la fuerza motriz de protones generada a través de la membrana mitocondrial interna en la respiración aeróbica. [50]

Durante la tercera etapa de la fotosíntesis, el movimiento de los protones hacia abajo en sus gradientes de concentración desde la luz del tilacoide hasta el estroma a través de la ATP sintasa se acopla a la síntesis de ATP por esa misma ATP sintasa. [50] El NADPH y los ATP generados por las reacciones dependientes de la luz en la segunda y tercera etapas, respectivamente, proporcionan la energía y los electrones para impulsar la síntesis de glucosa al fijar el dióxido de carbono atmosférico en compuestos orgánicos de carbono existentes, como el bisfosfato de ribulosa ( RuBP) en una secuencia de reacciones independientes de la luz (u oscuridad) llamada ciclo de Calvin. [55]

Señal telefónica

La comunicación celular (o señalización) es la capacidad de las células para recibir, procesar y transmitir señales con su entorno y consigo mismas. [56] [57] Las señales pueden ser no químicas, como la luz, los impulsos eléctricos y el calor, o señales químicas (o ligandos) que interactúan con los receptores, que se pueden encontrar incrustados en la membrana celular de otra célula o ubicados en el interior Una célula. [58] [57] En general, hay cuatro tipos de señales químicas: autocrina, paracrina, yuxtacrina y hormonal. [58] En la señalización autocrina, el ligando afecta a la misma célula que lo libera. Las células tumorales, por ejemplo, pueden reproducirse incontrolablemente porque liberan señales que inician su propia división. En la señalización paracrina, el ligando se difunde a las células cercanas y las afecta. Por ejemplo, las células cerebrales llamadas neuronas liberan ligandos llamados neurotransmisores que se difunden a través de una hendidura sináptica para unirse con un receptor en una célula adyacente, como otra neurona o célula muscular. En la señalización yuxtacrina, existe un contacto directo entre las células de señalización y respuesta. Finalmente, las hormonas son ligandos que viajan a través de los sistemas circulatorios de los animales o los sistemas vasculares de las plantas para llegar a sus células diana. Una vez que un ligando se une a un receptor, puede influir en el comportamiento de otra célula, según el tipo de receptor. Por ejemplo, los neurotransmisores que se unen a un receptor inotrópico pueden alterar la excitabilidad de una célula diana. Otros tipos de receptores incluyen receptores de proteína quinasa (p. Ej., Receptor de la hormona insulina) y receptores acoplados a proteína G. La activación de receptores acoplados a proteína G puede iniciar cascadas de segundos mensajeros. El proceso por el cual una señal química o física se transmite a través de una célula como una serie de eventos moleculares se llama transducción de señales.

Ciclo celular

El ciclo celular es una serie de eventos que tienen lugar en una célula y hacen que se divida en dos células hijas. Estos eventos incluyen la duplicación de su ADN y algunos de sus orgánulos, y la subsecuente división de su citoplasma en dos células hijas en un proceso llamado división celular. [59] En eucariotas (es decir, células animales, vegetales, fúngicas y protistas), hay dos tipos distintos de división celular: mitosis y meiosis. [60] La mitosis es parte del ciclo celular, en el que los cromosomas replicados se separan en dos nuevos núcleos. La división celular da lugar a células genéticamente idénticas en las que se mantiene el número total de cromosomas. En general, la mitosis (división del núcleo) está precedida por la etapa S de la interfase (durante la cual se replica el ADN) y a menudo es seguida por la telofase y la citocinesis que divide el citoplasma, los orgánulos y la membrana celular de una célula en dos nuevas células. que contiene proporciones aproximadamente iguales de estos componentes celulares. Todas las diferentes etapas de la mitosis definen la fase mitótica de un ciclo celular animal: la división de la célula madre en dos células hijas genéticamente idénticas. [61] El ciclo celular es un proceso vital mediante el cual un óvulo fecundado unicelular se convierte en un organismo maduro, así como el proceso mediante el cual se renuevan el cabello, la piel, las células sanguíneas y algunos órganos internos. Después de la división celular, cada una de las células hijas comienza la interfase de un nuevo ciclo. En contraste con la mitosis, la meiosis da como resultado cuatro células hijas haploides al someterse a una ronda de replicación del ADN seguida de dos divisiones. [62] Los cromosomas homólogos se separan en la primera división (meiosis I) y las cromátidas hermanas se separan en la segunda división (meiosis II). Ambos ciclos de división celular se utilizan en el proceso de reproducción sexual en algún momento de su ciclo de vida. Se cree que ambos están presentes en el último ancestro común eucariota.

Los procariotas (es decir, arqueas y bacterias) también pueden sufrir división celular (o fisión binaria). A diferencia de los procesos de mitosis y meiosis en eucariotas, la fisión binaria en procariotas tiene lugar sin la formación de un aparato fusiforme en la célula. Antes de la fisión binaria, el ADN de la bacteria está firmemente enrollado. Una vez que se ha desenrollado y duplicado, se tira hacia los polos separados de la bacteria a medida que aumenta el tamaño para prepararse para la división. El crecimiento de una nueva pared celular comienza a separar la bacteria (desencadenada por la polimerización FtsZ y la formación del "anillo Z") [63] La nueva pared celular (tabique) se desarrolla completamente, lo que resulta en la división completa de la bacteria. Las nuevas células hijas tienen bastones de ADN, ribosomas y plásmidos muy enrollados.

Genética

Herencia

La genética es el estudio científico de la herencia. [64] [65] [66] La herencia mendeliana, específicamente, es el proceso por el cual los genes y los rasgos se transmiten de padres a hijos. [31] Fue formulado por Gregor Mendel, basado en su trabajo con plantas de guisantes a mediados del siglo XIX. Mendel estableció varios principios de herencia. La primera es que las características genéticas, que ahora se denominan alelos, son discretas y tienen formas alternativas (p. Ej., Púrpura frente a blanco o alto frente a enano), cada una heredada de uno de los dos padres. Basado en su ley de dominancia y uniformidad, que establece que algunos alelos son dominantes mientras que otros son recesivos, un organismo con al menos un alelo dominante mostrará el fenotipo de ese alelo dominante. [67] Las excepciones a esta regla incluyen la penetrancia y la expresividad. [31] Mendel señaló que durante la formación de los gametos, los alelos de cada gen se segregan entre sí, de modo que cada gameto lleva solo un alelo para cada gen, lo cual está establecido por su ley de segregación. Los individuos heterocigóticos producen gametos con la misma frecuencia de dos alelos. Finalmente, Mendel formuló la ley del surtido independiente, que establece que los genes de diferentes rasgos pueden segregarse de forma independiente durante la formación de gametos, es decir, los genes no están vinculados. Una excepción a esta regla incluiría rasgos relacionados con el sexo. Se pueden realizar cruces de prueba para determinar experimentalmente el genotipo subyacente de un organismo con un fenotipo dominante. [68] Se puede usar un cuadrado de Punnett para predecir los resultados de un cruce de prueba. La teoría de la herencia cromosómica, que establece que los genes se encuentran en los cromosomas, fue apoyada por los experimentos de Thomas Morgans con moscas de la fruta, que establecieron el vínculo sexual entre el color de ojos y el sexo en estos insectos. [69] En humanos y otros mamíferos (por ejemplo, perros), no es factible ni práctico realizar experimentos cruzados de prueba. En cambio, los pedigríes, que son representaciones genéticas de árboles genealógicos, [70] se utilizan en cambio para rastrear la herencia de un rasgo o enfermedad específica a través de múltiples generaciones. [71]

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula compuesta por dos cadenas de polinucleótidos que se enrollan entre sí para formar una doble hélice que lleva información genética hereditaria. Las dos cadenas de ADN se conocen como polinucleótidos, ya que están compuestas por monómeros llamados nucleótidos. [72] [73] Cada nucleótido está compuesto por una de cuatro bases nitrogenadas (citosina [C], guanina [G], adenina [A] o timina [T]), un azúcar llamado desoxirribosa y un grupo fosfato. Los nucleótidos se unen entre sí en una cadena mediante enlaces covalentes entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente, lo que da como resultado un esqueleto alterno de azúcar y fosfato. Es la secuencia de estas cuatro bases a lo largo de la columna vertebral la que codifica la información genética. Las bases de las dos hebras de polinucleótidos están unidas por enlaces de hidrógeno, de acuerdo con las reglas de apareamiento de bases (A con T y C con G), para formar ADN de doble hebra. Las bases se dividen en dos grupos: pirimidinas y purinas. En el ADN, las pirimidinas son timina y citosina, mientras que las purinas son adenina y guanina. Las dos hebras de ADN corren en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelas. El ADN se replica una vez que las dos hebras se separan.

Un gen es una unidad hereditaria que corresponde a una región del ADN que influye en la forma o función de un organismo de formas específicas. El ADN se encuentra como cromosomas lineales en eucariotas y cromosomas circulares en procariotas. Un cromosoma es una estructura organizada que consta de ADN e histonas. El conjunto de cromosomas en una célula y cualquier otra información hereditaria que se encuentre en las mitocondrias, cloroplastos u otras ubicaciones se conoce colectivamente como genoma de una célula. En eucariotas, el ADN genómico se localiza en el núcleo celular, o en pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos. [74] En los procariotas, el ADN se mantiene dentro de un cuerpo de forma irregular en el citoplasma llamado nucleoide. [75] La información genética de un genoma se encuentra dentro de los genes, y el conjunto completo de esta información en un organismo se denomina genotipo. [76] Los genes codifican la información que necesitan las células para la síntesis de proteínas, que a su vez desempeñan un papel central al influir en el fenotipo final del organismo.

La expresion genica

La expresión génica es el proceso mediante el cual la información de un gen se utiliza en la síntesis de un producto génico funcional que le permite producir productos finales, proteínas o ARN no codificantes, y finalmente afectar un fenotipo, como efecto final. El proceso se resume en el dogma central de la biología molecular formulado por primera vez por Francis Crick en 1958. [77] [78] [79] La expresión génica es el nivel más fundamental en el que un genotipo da lugar a un fenotipo, es decir, un rasgo observable. La información genética almacenada en el ADN representa el genotipo, mientras que el fenotipo resulta de la síntesis de proteínas que controlan la estructura y el desarrollo de un organismo, o que actúan como enzimas que catalizan vías metabólicas específicas. Una gran parte del ADN (por ejemplo, & gt98% en humanos) no es codificante, lo que significa que estas secciones no sirven como patrones para secuencias de proteínas. Las cadenas de ARN mensajero (ARNm) se crean utilizando cadenas de ADN como plantilla en un proceso llamado transcripción, donde las bases de ADN se intercambian por sus bases correspondientes excepto en el caso de la timina (T), para la cual el ARN sustituye al uracilo (U). [80] Según el código genético, estas cadenas de ARNm especifican la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas en un proceso llamado traducción, que ocurre en los ribosomas. Este proceso lo utilizan todos los seres vivos, eucariotas (incluidos los organismos multicelulares), procariotas (bacterias y arqueas) y los virus, para generar la maquinaria macromolecular para la vida. Los productos genéticos son a menudo proteínas, pero en genes que no codifican proteínas, como el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN nuclear pequeño (ARNnn), el producto es un ARN funcional no codificante. [81] [82] Todos los pasos en el proceso de expresión génica se pueden regular, incluida la transcripción, el empalme de ARN, la traducción y la modificación postraduccional de una proteína. La regulación de la expresión génica permite controlar el tiempo, la ubicación y la cantidad de un producto génico determinado (proteína o ARNc) presente en una célula y puede tener un efecto profundo en la estructura y función celular.

Genomas

Un genoma es el conjunto completo de ADN de un organismo, incluidos todos sus genes. [83] La secuenciación y el análisis de genomas se pueden realizar mediante secuenciación de ADN de alto rendimiento y bioinformática para ensamblar y analizar la función y estructura de genomas completos. [84] [85] [86] Muchos genes codifican más de una proteína, con modificaciones postraduccionales que aumentan la diversidad de proteínas dentro de una célula. El proteoma de una célula es su conjunto completo de proteínas expresadas por su genoma. [87] Los genomas de los procariotas son pequeños, compactos y diversos. Por el contrario, los genomas de los eucariotas son más grandes y complejos, por lo que tienen más secuencias reguladoras y gran parte de su genoma está formado por secuencias de ADN no codificantes de ARN funcional (ARNr, ARNt y ARNm) o secuencias reguladoras. Se han secuenciado los genomas de varios organismos modelo como arabidopsis, mosca de la fruta, ratones, nematodos y levaduras. La secuenciación de todo el genoma humano ha dado lugar a aplicaciones prácticas como la toma de huellas dactilares de ADN, que se puede utilizar para pruebas de paternidad y análisis forense. En medicina, la secuenciación de todo el genoma humano ha permitido identificar mutaciones que causan tumores, así como genes que causan un trastorno genético específico. [87]

Biotecnología

La biotecnología es el uso de células u organismos vivos para desarrollar productos para humanos. [88] Incluye herramientas como el ADN recombinante, que son moléculas de ADN formadas por métodos de laboratorio de recombinación genética como la clonación molecular, que reúnen material genético de múltiples fuentes, creando secuencias que de otro modo no se encontrarían en un genoma. Otras herramientas incluyen el uso de bibliotecas genómicas, microarrays de ADN, vectores de expresión, genómica sintética y edición de genes CRISPR. [88] [89] Muchas de estas herramientas tienen amplias aplicaciones, como la creación de proteínas de utilidad médica o la mejora del cultivo de plantas y la cría de animales. [88] La insulina humana, por ejemplo, fue el primer medicamento que se fabricó utilizando tecnología de ADN recombinante. Otros enfoques, como la farmacia, pueden producir grandes cantidades de productos de utilidad médica mediante el uso de organismos modificados genéticamente. [88]

Genes, desarrollo y evolución

El desarrollo es el proceso por el cual un organismo multicelular (vegetal o animal) atraviesa una serie de cambios, partiendo de una sola célula y adoptando diversas formas que son características de su ciclo de vida. [90] Hay cuatro procesos clave que subyacen al desarrollo: determinación, diferenciación, morfogénesis y crecimiento. La determinación establece el destino de desarrollo de una célula, que se vuelve más restrictiva durante el desarrollo. La diferenciación es el proceso mediante el cual células especializadas de células menos especializadas, como las células madre. [91] [92] Las células madre son células indiferenciadas o parcialmente diferenciadas que pueden diferenciarse en varios tipos de células y proliferar indefinidamente para producir más de la misma célula madre. [93] La diferenciación celular cambia drásticamente el tamaño, la forma, el potencial de membrana, la actividad metabólica y la capacidad de respuesta a las señales de una célula, que se deben en gran medida a modificaciones altamente controladas en la expresión génica y la epigenética. Con algunas excepciones, la diferenciación celular casi nunca implica un cambio en la secuencia de ADN en sí. [94] Por lo tanto, diferentes células pueden tener características físicas muy diferentes a pesar de tener el mismo genoma. La morfogénesis, o desarrollo de la forma del cuerpo, es el resultado de diferencias espaciales en la expresión génica. [90] Especialmente, la organización de tejidos diferenciados en estructuras específicas como brazos o alas, que se conoce como formación de patrones, está gobernada por morfógenos, moléculas de señalización que se mueven de un grupo de células a las células circundantes, creando un gradiente de morfógeno como se describe. por el modelo de bandera francesa. La apoptosis, o muerte celular programada, también ocurre durante la morfogénesis, como la muerte de las células entre los dedos en el desarrollo embrionario humano, que libera los dedos de las manos y los pies. La expresión de genes de factores de transcripción puede determinar la ubicación de los órganos en una planta y una cascada de factores de transcripción por sí mismos puede establecer la segmentación corporal en una mosca de la fruta. [90]

Una pequeña fracción de los genes del genoma de un organismo, denominada caja de herramientas de desarrollo genético, controla el desarrollo de ese organismo. Estos genes del conjunto de herramientas están altamente conservados entre los phyla, lo que significa que son antiguos y muy similares en grupos de animales muy separados. Las diferencias en el despliegue de los genes del juego de herramientas afectan el plan del cuerpo y el número, la identidad y el patrón de las partes del cuerpo. Entre los genes más importantes del conjunto de herramientas se encuentran los Hox genes. Los genes Hox determinan dónde crecerán las partes repetidas, como las muchas vértebras de las serpientes, en un embrión o larva en desarrollo. [95] Las variaciones en el conjunto de herramientas pueden haber producido una gran parte de la evolución morfológica de los animales. El conjunto de herramientas puede impulsar la evolución de dos formas. Un gen de un juego de herramientas se puede expresar en un patrón diferente, como cuando el pico del gran pinzón terrestre de Darwin fue agrandado por el BMP gen, [96] o cuando las serpientes perdieron sus piernas como Sin distal (Dlx) los genes se subexpresaron o no se expresaron en absoluto en los lugares donde otros reptiles continuaron formando sus extremidades. [97] O, un gen del conjunto de herramientas puede adquirir una nueva función, como se ve en las muchas funciones de ese mismo gen, menos distal, que controla estructuras tan diversas como la mandíbula en los vertebrados, [98] [99] patas y antenas en la mosca de la fruta, [100] y patrón de manchas oculares en las alas de las mariposas. [101] Dado que pequeños cambios en los genes de la caja de herramientas pueden causar cambios significativos en las estructuras corporales, a menudo han permitido una evolución convergente o paralela.

Evolución

Procesos evolutivos

Un concepto organizador central en biología es que la vida cambia y se desarrolla a través de la evolución, que es el cambio en las características hereditarias de las poblaciones a lo largo de generaciones sucesivas. [102] [103] La evolución se utiliza ahora para explicar las grandes variaciones de la vida en la Tierra. El término evolución Fue introducido en el léxico científico por Jean-Baptiste de Lamarck en 1809, [104] y cincuenta años más tarde Charles Darwin y Alfred Russel Wallace formularon la teoría de la evolución por selección natural. [105] [106] [107] [108] De acuerdo con esta teoría, los individuos difieren entre sí con respecto a sus rasgos hereditarios, lo que resulta en diferentes tasas de supervivencia y reproducción. Como resultado, es más probable que los rasgos que se adapten mejor a su entorno se transmitan a las generaciones posteriores. [109] [110] Darwin no estaba al tanto del trabajo de herencia de Mendel y, por lo tanto, el mecanismo exacto de la herencia que subyace a la selección natural no se comprendió bien [111] hasta principios del siglo XX, cuando la síntesis moderna reconcilió la evolución darwiniana con la genética clásica. que estableció una perspectiva neodarwiniana de la evolución por selección natural. [112] Esta perspectiva sostiene que la evolución ocurre cuando hay cambios en las frecuencias alélicas dentro de una población de organismos que se cruzan. En ausencia de cualquier proceso evolutivo que actúe sobre una gran población de apareamiento aleatorio, las frecuencias alélicas permanecerán constantes a lo largo de las generaciones, como se describe en el principio de Hardy-Weinberg. [113]

Otro proceso que impulsa la evolución es la deriva genética, que son las fluctuaciones aleatorias de las frecuencias alélicas dentro de una población de una generación a la siguiente. [114] Cuando las fuerzas selectivas están ausentes o son relativamente débiles, es igualmente probable que las frecuencias alélicas deriva hacia arriba o hacia abajo en cada generación sucesiva porque los alelos están sujetos a errores de muestreo. [115] Esta deriva se detiene cuando un alelo finalmente se fija, ya sea desapareciendo de la población o reemplazando los otros alelos por completo. Por lo tanto, la deriva genética puede eliminar algunos alelos de una población debido únicamente al azar.

Especiación

La especiación es el proceso de dividir un linaje en dos linajes que evolucionan independientemente el uno del otro. [116] Para que ocurra la especiación, tiene que haber aislamiento reproductivo. [116] El aislamiento reproductivo puede resultar de incompatibilidades entre genes, como se describe en el modelo de Bateson-Dobzhansky-Muller. El aislamiento reproductivo también tiende a aumentar con la divergencia genética. La especiación puede ocurrir cuando existen barreras físicas que dividen una especie ancestral, un proceso conocido como especiación alopátrica. [116] En contraste, la especiación simpátrica ocurre en ausencia de barreras físicas.

El aislamiento pre-cigótico, como los aislamientos mecánicos, temporales, conductuales, de hábitat y gaméticos, puede evitar que las diferentes especies se hibriden. [116] De manera similar, los aislamientos post-cigóticos pueden resultar en la selección de la hibridación debido a la menor viabilidad de los híbridos o la infertilidad híbrida (por ejemplo, mula). Pueden surgir zonas híbridas si hubiera un aislamiento reproductivo incompleto entre dos especies estrechamente relacionadas.

Filogenias

Una filogenia es una historia evolutiva de un grupo específico de organismos o sus genes. [117] Una filogenia se puede representar mediante un árbol filogenético, que es un diagrama que muestra las líneas de descendencia entre organismos o sus genes. Cada línea dibujada en el eje del tiempo de un árbol representa un linaje de descendientes de una especie o población en particular. Cuando un linaje se divide en dos, se representa como un nodo (o división) en el árbol filogenético. Cuantas más divisiones haya a lo largo del tiempo, más ramas habrá en el árbol, y el antepasado común de todos los organismos de ese árbol estará representado por la raíz de ese árbol. Los árboles filogenéticos pueden representar la historia evolutiva de todas las formas de vida, un grupo evolutivo importante (por ejemplo, insectos) o un grupo aún más pequeño de especies estrechamente relacionadas. Dentro de un árbol, cualquier grupo de especies designado por un nombre es un taxón (por ejemplo, humanos, primates, mamíferos o vertebrados) y un taxón que consta de todos sus descendientes evolutivos es un clado. Las especies estrechamente relacionadas se denominan especies hermanas y los clados estrechamente relacionados son clados hermanos.

Los árboles filogenéticos son la base para comparar y agrupar diferentes especies. [117] Se describe que las diferentes especies que comparten una característica heredada de un ancestro común tienen características homólogas. Las características homólogas pueden ser cualquier característica hereditaria, como la secuencia de ADN, las estructuras de proteínas, las características anatómicas y los patrones de comportamiento. Una columna vertebral es un ejemplo de una característica homóloga compartida por todos los animales vertebrados. Los rasgos que tienen una forma o función similar pero que no se derivan de un ancestro común se describen como rasgos análogos. Las filogenias se pueden reconstruir para un grupo de organismos de intereses primarios, que se denominan endogrupo. Una especie o grupo que está estrechamente relacionado con el endogrupo pero que está filogenéticamente fuera de él se llama exogrupo, que sirve como punto de referencia en el árbol. La raíz del árbol se encuentra entre el grupo interno y el grupo externo. [117] Cuando se reconstruyen árboles filogenéticos, se pueden generar múltiples árboles con diferentes historias evolutivas. Basado en el principio de la parsimonia (o la navaja de Occam), el árbol que se favorece es el que tiene la menor cantidad de cambios evolutivos necesarios para asumir todos los rasgos en todos los grupos. Se pueden usar algoritmos computacionales para determinar cómo podría haber evolucionado un árbol dada la evidencia. [117]

La filogenia proporciona la base de la clasificación biológica, que se basa en la taxonomía de Linneo que fue desarrollada por Carl Linnaeus en el siglo XVIII. [117] Este sistema de clasificación se basa en rangos, siendo el rango más alto el dominio seguido por reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. [117] Todos los organismos vivos pueden clasificarse como pertenecientes a uno de tres dominios: Archaea (originalmente Archaebacteria), bacteria (originalmente eubacteria) o eukarya (incluye los reinos protista, de hongos, vegetal y animal). [118] Se utiliza una nomenclatura binomial para clasificar diferentes especies. Con base en este sistema, a cada especie se le dan dos nombres, uno para su género y otro para su especie. [117] Por ejemplo, los humanos son Homo sapiens, con Homo siendo el género y sapiens siendo la especie. Por convención, los nombres científicos de los organismos están en cursiva, con solo la primera letra del género en mayúscula. [119] [120]

Historia de vida

La historia de la vida en la Tierra rastrea los procesos mediante los cuales los organismos han evolucionado desde la aparición más temprana de la vida hasta la actualidad. La Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años y toda la vida en la Tierra, tanto viva como extinta, desciende de un último ancestro común universal que vivió hace unos 3.500 millones de años. [121] [122] Las similitudes entre todas las especies conocidas actuales indican que han divergido a través del proceso de evolución de su antepasado común. [123] Los biólogos consideran la ubicuidad del código genético como evidencia de la descendencia común universal para todas las bacterias, arqueas y eucariotas. [124] [10] [125] [126]

Las esteras microbianas de bacterias y arqueas coexistentes eran la forma de vida dominante en la época arcaica temprana y se cree que muchos de los pasos principales en la evolución temprana tuvieron lugar en este entorno. [127] La ​​evidencia más temprana de eucariotas data de hace 1.850 millones de años, [128] [129] y aunque pueden haber estado presentes antes, su diversificación se aceleró cuando comenzaron a usar oxígeno en su metabolismo. Más tarde, hace alrededor de 1.700 millones de años, comenzaron a aparecer organismos multicelulares, con células diferenciadas que realizaban funciones especializadas. [130]

Las plantas terrestres multicelulares similares a las algas se remontan incluso a hace unos mil millones de años, [131] aunque la evidencia sugiere que los microorganismos formaron los primeros ecosistemas terrestres, hace al menos 2.700 millones de años. [132] Se cree que los microorganismos allanaron el camino para el inicio de las plantas terrestres en el período Ordovícico. Las plantas terrestres tuvieron tanto éxito que se cree que contribuyeron al evento de extinción del Devónico tardío. [133]

La biota de Ediacara aparece durante el período de Ediacara, [134] mientras que los vertebrados, junto con la mayoría de los otros phyla modernos, se originaron hace unos 525 millones de años durante la explosión del Cámbrico. [135] Durante el período Pérmico, los sinápsidos, incluidos los antepasados ​​de los mamíferos, dominaron la tierra, [136] pero la mayor parte de este grupo se extinguió en el evento de extinción Pérmico-Triásico hace 252 millones de años. [137] Durante la recuperación de esta catástrofe, los arcosaurios se convirtieron en los vertebrados terrestres más abundantes. [138] Un grupo de arcosaurios, los dinosaurios, dominó los períodos Jurásico y Cretácico. [139] Después de que el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno hace 66 millones de años mató a los dinosaurios no aviares, [140] los mamíferos aumentaron rápidamente en tamaño y diversidad. [141] Tales extinciones masivas pueden haber acelerado la evolución al brindar oportunidades para que nuevos grupos de organismos se diversifiquen. [142]

Diversidad

Bacterias y arqueas

Las bacterias son un tipo de célula que constituye un gran dominio de microorganismos procariotas. Por lo general, de unos pocos micrómetros de longitud, las bacterias tienen varias formas, que van desde esferas hasta varillas y espirales. Las bacterias estuvieron entre las primeras formas de vida que aparecieron en la Tierra y están presentes en la mayoría de sus hábitats. Las bacterias habitan el suelo, el agua, las fuentes termales ácidas, los desechos radiactivos [143] y la biosfera profunda de la corteza terrestre. Las bacterias también viven en relaciones simbióticas y parasitarias con plantas y animales. La mayoría de las bacterias no se han caracterizado y solo alrededor del 27 por ciento de los filos bacterianos tienen especies que se pueden cultivar en el laboratorio. [144]

Las arqueas constituyen el otro dominio de las células procariotas y se clasificaron inicialmente como bacterias, recibiendo el nombre de arqueobacterias (en el reino de las arqueobacterias), un término que ha caído en desuso. [145] Las células de Archaeal tienen propiedades únicas que las separan de los otros dos dominios, Bacteria y Eukaryota. Las arqueas se dividen además en múltiples filos reconocidos. Las arqueas y las bacterias son generalmente similares en tamaño y forma, aunque algunas arqueas tienen formas muy diferentes, como las células planas y cuadradas de Haloquadratum walsbyi. [146] A pesar de esta similitud morfológica con las bacterias, las arqueas poseen genes y varias vías metabólicas que están más estrechamente relacionadas con las de los eucariotas, en particular para las enzimas involucradas en la transcripción y traducción. Otros aspectos de la bioquímica de las arqueas son únicos, como su dependencia de los éter lípidos en sus membranas celulares, [147] incluidos los arqueoles. Las arqueas utilizan más fuentes de energía que los eucariotas: estos van desde compuestos orgánicos, como azúcares, hasta amoníaco, iones metálicos o incluso gas hidrógeno. Las arqueas tolerantes a la sal (las Haloarchaea) usan la luz solar como fuente de energía y otras especies de arqueas fijan el carbono, pero a diferencia de las plantas y las cianobacterias, ninguna especie conocida de arqueas hace ambas cosas. Las arqueas se reproducen asexualmente por fisión binaria, fragmentación o gemación a diferencia de las bacterias, ninguna especie conocida de arqueas forma endosporas.

Las primeras arqueas observadas fueron extremófilos, que vivían en ambientes extremos, como aguas termales y lagos salados sin otros organismos. Las herramientas mejoradas de detección molecular llevaron al descubrimiento de arqueas en casi todos los hábitats, incluidos el suelo, los océanos y las marismas. Las arqueas son particularmente numerosas en los océanos, y las arqueas del plancton pueden ser uno de los grupos de organismos más abundantes del planeta.

Las arqueas son una parte importante de la vida de la Tierra. Forman parte de la microbiota de todos los organismos. En el microbioma humano, son importantes en el intestino, la boca y la piel. [148] Su diversidad morfológica, metabólica y geográfica les permite desempeñar múltiples funciones ecológicas: fijación de carbono, ciclo de nitrógeno, renovación de compuestos orgánicos y mantenimiento de comunidades microbianas simbióticas y sintróficas, por ejemplo. [149]

Protistas

Los protistas son organismos eucariotas que no son animales, plantas ni hongos. Si bien es probable que los protistas compartan un ancestro común (el último ancestro común eucariota), [150] la exclusión de otros eucariotas significa que los protistas no forman un grupo o clado natural. [a] Por tanto, algunos protistas pueden estar más estrechamente relacionados con animales, plantas u hongos que con otros protistas; sin embargo, como algas, invertebrados o protozoos, la agrupación se utiliza por conveniencia. [151]

La taxonomía de los protistas sigue cambiando. Las clasificaciones más nuevas intentan presentar grupos monofiléticos basados ​​en información morfológica (especialmente ultraestructural), [152] [153] [154] bioquímica (quimiotaxonomía) [155] [156] y secuencia de ADN (investigación molecular). [157] [158] Debido a que los protistas en su conjunto son parafiléticos, los nuevos sistemas a menudo se dividen o abandonan el reino, y en cambio tratan a los grupos protistas como líneas separadas de eucariotas.

Diversidad vegetal

Las plantas son principalmente organismos multicelulares, predominantemente eucariotas fotosintéticos del reino Plantae. La botánica es el estudio de la vida vegetal, que excluiría hongos y algunas algas. Los botánicos han estudiado aproximadamente 410.000 especies de plantas terrestres, de las cuales unas 391.000 especies son plantas vasculares (incluidas aproximadamente 369.000 especies de plantas con flores), [159] y aproximadamente 20.000 son briofitas. [160]

Las algas son un grupo grande y diverso de organismos eucariotas fotosintéticos. Los organismos incluidos van desde microalgas unicelulares, como Clorella, Prototheca y las diatomeas, a formas multicelulares, como el kelp gigante, un gran alga marrón. La mayoría son acuáticos y autótrofos y carecen de muchos de los distintos tipos de células y tejidos, como los estomas, el xilema y el floema, que se encuentran en las plantas terrestres. Las algas marinas más grandes y complejas se denominan algas marinas, mientras que las formas de agua dulce más complejas son las Charophyta.

Las plantas no vasculares son plantas sin un sistema vascular formado por xilema y floema. En cambio, pueden poseer tejidos más simples que tienen funciones especializadas para el transporte interno de agua. Las plantas vasculares, por otro lado, son un gran grupo de plantas (c. 300.000 especies conocidas aceptadas) [161] que se definen como plantas terrestres con tejidos lignificados (el xilema) para conducir agua y minerales por toda la planta. [162] También tienen un tejido no lignificado especializado (el floema) para conducir los productos de la fotosíntesis. Las plantas vasculares incluyen musgos, colas de caballo, helechos, gimnospermas (incluidas las coníferas) y angiospermas (plantas con flores).

Las plantas de semillas (o espermatofitos) comprenden cinco divisiones, cuatro de las cuales se agrupan como gimnospermas y una es angiospermas. Las gimnospermas incluyen coníferas, cícadas, Gingkoy gnetofitos. Las semillas de gimnospermas se desarrollan en la superficie de las escamas u hojas, que a menudo se modifican para formar conos, o son solitarias como en el tejo. Torreya, Gingko. [163] Las angiospermas son el grupo más diverso de plantas terrestres, con 64 órdenes, 416 familias, aproximadamente 13.000 géneros conocidos y 300.000 especies conocidas. [161] Al igual que las gimnospermas, las angiospermas son plantas productoras de semillas. Se distinguen de las gimnospermas por tener características como flores, endospermo dentro de sus semillas y producción de frutos que contienen las semillas.

Hongos

Los hongos son organismos eucariotas que incluyen microorganismos como levaduras y mohos, así como los hongos más familiares. Una característica que coloca a los hongos en un reino diferente al de las plantas, las bacterias y algunos protistas es la quitina en sus paredes celulares. Los hongos, al igual que los animales, son heterótrofos; adquieren su alimento al absorber moléculas disueltas, por lo general secretando enzimas digestivas en su entorno. Los hongos no realizan la fotosíntesis. El crecimiento es su medio de movilidad, a excepción de las esporas (algunas de las cuales están flageladas), que pueden viajar por el aire o el agua. Los hongos son los principales descomponedores en los sistemas ecológicos. Estas y otras diferencias colocan a los hongos en un solo grupo de organismos relacionados, llamado Eumycota (verdaderos hongos o Eumycetes), que comparten un ancestro común (de un grupo monofilético). Este grupo de hongos es distinto de los mixomicetos (mohos de limo) y oomicetos (mohos de agua) estructuralmente similares.

La mayoría de los hongos pasan desapercibidos debido al pequeño tamaño de sus estructuras y a sus crípticos estilos de vida en el suelo o en la materia muerta. Los hongos incluyen simbiontes de plantas, animales u otros hongos y también parásitos. Pueden notarse cuando fructifican, ya sea como hongos o como mohos. Los hongos desempeñan un papel esencial en la descomposición de la materia orgánica y tienen un papel fundamental en el ciclo y el intercambio de nutrientes en el medio ambiente.

El reino de los hongos abarca una enorme diversidad de taxones con ecologías variadas, estrategias de ciclo de vida y morfologías que van desde quítridos acuáticos unicelulares hasta hongos grandes. Sin embargo, se sabe poco de la verdadera biodiversidad de Kingdom Fungi, que se ha estimado en 2,2 millones a 3,8 millones de especies. [164] De estos, sólo se han descrito alrededor de 148.000, [165] con más de 8.000 especies conocidas por ser perjudiciales para las plantas y al menos 300 que pueden ser patógenas para los seres humanos. [166]

Diversidad animal

Los animales son organismos eucariotas multicelulares que forman el reino Animalia. Con pocas excepciones, los animales consumen material orgánico, respiran oxígeno, pueden moverse, pueden reproducirse sexualmente y crecer a partir de una esfera hueca de células, la blástula, durante el desarrollo embrionario. Se han descrito más de 1,5 millones de especies animales vivas, de las cuales alrededor de 1 millón son insectos, pero se ha estimado que hay más de 7 millones de especies animales en total. Tienen interacciones complejas entre sí y con sus entornos, formando intrincadas redes alimenticias.

Las esponjas, los miembros del filo Porifera, son un clado de Metazoa (animal) basal como hermana de los diploblastos. [167] [168] [169] [170] [171] Son organismos multicelulares que tienen cuerpos llenos de poros y canales que permiten que el agua circule a través de ellos, que consisten en mesohilo gelatinoso intercalado entre dos capas delgadas de células.

97%) de las especies animales son invertebrados, [172] que son animales que no poseen ni desarrollan una columna vertebral (comúnmente conocida como columna vertebral o columna vertebral), derivado de la notocorda. Esto incluye a todos los animales excepto al subfilo Vertebrata. Ejemplos familiares de invertebrados incluyen artrópodos (insectos, arácnidos, crustáceos y miriápodos), moluscos (quitones, caracoles, bivalvos, calamares y pulpos), anélidos (lombrices y sanguijuelas) y cnidarios (hidras, medusas, anémonas de mar y corales). ). Muchos taxones de invertebrados tienen un mayor número y variedad de especies que todo el subfilo de Vertebrata. [173]

En contraste, los vertebrados comprenden todas las especies de animales dentro del subfilo Vertebrata (cordados con columna vertebral). Los vertebrados representan la inmensa mayoría del filo Chordata, y actualmente se describen alrededor de 69,963 especies. [174] Los vertebrados incluyen grupos tales como peces sin mandíbula, vertebrados con mandíbula como peces cartilaginosos (tiburones, rayas y peces rata), peces óseos, tetrápodos como anfibios, reptiles, aves y mamíferos.

Virus

Los virus son agentes infecciosos submicroscópicos que se replican dentro de las células vivas de los organismos. [175] Los virus infectan todo tipo de formas de vida, desde animales y plantas hasta microorganismos, incluidas bacterias y arqueas. [176] [177] Se han descrito en detalle más de 6.000 especies de virus. [178] Los virus se encuentran en casi todos los ecosistemas de la Tierra y son el tipo más numeroso de entidad biológica. [179] [180]

Cuando se infecta, una célula huésped se ve obligada a producir rápidamente miles de copias idénticas del virus original. Cuando no están dentro de una célula infectada o en el proceso de infectar una célula, los virus existen en forma de partículas independientes, o viriones, que consiste en el material genético (ADN o ARN), una capa de proteína llamada cápsidey, en algunos casos, una envoltura exterior de lípidos. Las formas de estas partículas de virus varían desde formas helicoidales e icosaédricas simples hasta estructuras más complejas. La mayoría de las especies de virus tienen viriones demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio óptico, ya que son una centésima parte del tamaño de la mayoría de las bacterias.

Los orígenes de los virus en la historia evolutiva de la vida no están claros: algunos pueden haber evolucionado a partir de plásmidos, fragmentos de ADN que pueden moverse entre las células, mientras que otros pueden haber evolucionado a partir de bacterias. En la evolución, los virus son un medio importante de transferencia horizontal de genes, lo que aumenta la diversidad genética de forma análoga a la reproducción sexual.[181] Debido a que los virus poseen algunas, pero no todas, las características de la vida, se los ha descrito como "organismos al borde de la vida", [182] y como autorreplicadores. [183]

Los virus se pueden propagar de muchas formas. Una vía de transmisión es a través de organismos portadores de enfermedades conocidos como vectores: por ejemplo, los virus a menudo se transmiten de una planta a otra por insectos que se alimentan de la savia de las plantas, como los pulgones y los virus en los animales pueden ser transportados por insectos chupadores de sangre. Los virus de la influenza se transmiten al toser y estornudar. El norovirus y el rotavirus, causas comunes de gastroenteritis viral, se transmiten por vía fecal-oral, se transmiten por contacto de las manos a la boca o en los alimentos o el agua. Las infecciones virales en animales provocan una respuesta inmune que generalmente elimina el virus infectante. Las vacunas también pueden producir respuestas inmunitarias, que confieren una inmunidad adquirida artificialmente a la infección viral específica.

Forma y función de la planta

Cuerpo de la planta

El cuerpo de la planta está formado por órganos que se pueden organizar en dos sistemas de órganos principales: un sistema de raíces y un sistema de brotes. [184] El sistema de raíces ancla las plantas en su lugar. Las propias raíces absorben agua y minerales y almacenan productos fotosintéticos. El sistema de brotes se compone de tallo, hojas y flores. Los tallos sostienen y orientan las hojas hacia el sol, lo que permite que las hojas realicen la fotosíntesis. Las flores son brotes que han sido modificados para su reproducción. Los brotes están compuestos por fitómeros, que son unidades funcionales que consisten en un nodo que lleva una o más hojas, entrenudos y una o más yemas.

El cuerpo de una planta tiene dos patrones básicos (ejes apical-basal y radial) que se establecieron durante la embriogénesis. [184] Las células y los tejidos están dispuestos a lo largo del eje apical-basal desde la raíz hasta el brote, mientras que los tres sistemas de tejido (dérmico, del suelo y vascular) que forman el cuerpo de una planta están dispuestos concéntricamente alrededor de su eje radial. [184] El sistema de tejido dérmico forma la epidermis (o cubierta exterior) de una planta, que generalmente es una capa de células individuales que consta de células que se han diferenciado en tres estructuras especializadas: estomas para el intercambio de gases en las hojas, tricomas (o pelo de las hojas ) para protección contra insectos y radiación solar, y pelos radiculares para mayor superficie y absorción de agua y nutrientes. El tejido del suelo constituye prácticamente todo el tejido que se encuentra entre los tejidos dérmico y vascular en los brotes y raíces. Consiste en tres tipos de células: células de parénquima, colénquima y esclerénquima. Finalmente, los tejidos vasculares están formados por dos tejidos constituyentes: xilema y floema. El xilema está formado por dos células conductoras llamadas traqueidas y elementos vasculares, mientras que el floema se caracteriza por la presencia de elementos de tubo de tamiz y células acompañantes. [184]

Nutrición y transporte vegetal

Como todos los demás organismos, las plantas están compuestas principalmente de agua y otras moléculas que contienen elementos esenciales para la vida. [185] La ausencia de nutrientes específicos (o elementos esenciales), muchos de los cuales han sido identificados en experimentos hidropónicos, puede interrumpir el crecimiento y la reproducción de las plantas. La mayoría de las plantas pueden obtener estos nutrientes de las soluciones que rodean sus raíces en el suelo. [185] La lixiviación y la cosecha continuas de cultivos pueden agotar los nutrientes del suelo, que pueden recuperarse con el uso de fertilizantes. Las plantas carnívoras como Venus atrapamoscas pueden obtener nutrientes al digerir otros artrópodos, mientras que las plantas parásitas como el muérdago pueden parasitar otras plantas en busca de agua y nutrientes.

Las plantas necesitan agua para realizar la fotosíntesis, transportar solutos entre órganos, enfriar sus hojas por evaporación y mantener las presiones internas que sostienen sus cuerpos. [185] El agua puede difundirse dentro y fuera de las células vegetales por ósmosis. La dirección del movimiento del agua a través de una membrana semipermeable está determinada por el potencial de agua a través de esa membrana. [185] El agua es capaz de difundirse a través de la membrana de la célula de la raíz a través de las acuaporinas, mientras que los solutos son transportados a través de la membrana por canales iónicos y bombas. En las plantas vasculares, el agua y los solutos pueden entrar en el xilema, un tejido vascular, a través de un apoplasto y un simplelasto. Una vez en el xilema, el agua y los minerales se distribuyen hacia arriba por transpiración del suelo a las partes aéreas de la planta. [162] [185] En contraste, el floema, otro tejido vascular, distribuye carbohidratos (p. Ej., Sacarosa) y otros solutos como hormonas por translocación de una fuente (p. Ej., Hoja madura o raíz) en la que se produjeron a un sumidero. (por ejemplo, raíz, flor o fruto en desarrollo) en el que se utilizarán y almacenarán. [185] Las fuentes y los sumideros pueden cambiar de función, dependiendo de la cantidad de carbohidratos acumulados o movilizados para la nutrición de otros órganos.

Desarrollo vegetal

El desarrollo de la planta está regulado por señales ambientales y los propios receptores, hormonas y genoma de la planta. [186] Además, tienen varias características que les permiten obtener recursos para el crecimiento y la reproducción como los meristemos, la formación de órganos post-embrionarios y el crecimiento diferencial.

El desarrollo comienza con una semilla, que es una planta embrionaria encerrada en una cubierta exterior protectora. La mayoría de las semillas de plantas suelen estar inactivas, una condición en la que se suspende la actividad normal de la semilla. [186] La latencia de la semilla puede durar semanas, meses, años e incluso siglos. La latencia se rompe una vez que las condiciones son favorables para el crecimiento y la semilla comenzará a brotar, un proceso llamado germinación. La imbibición es el primer paso en la germinación, mediante el cual la semilla absorbe el agua. Una vez que se absorbe el agua, la semilla sufre cambios metabólicos mediante los cuales se activan las enzimas y se sintetizan el ARN y las proteínas. Una vez que la semilla germina, obtiene carbohidratos, aminoácidos y pequeños lípidos que sirven como bloques de construcción para su desarrollo. Estos monómeros se obtienen de la hidrólisis de almidón, proteínas y lípidos que se almacenan en los cotiledones o en el endospermo. La germinación se completa una vez que las raíces embrionarias llamadas radícula han emergido de la cubierta de la semilla. En este punto, la planta en desarrollo se llama plántula y su crecimiento está regulado por sus propias hormonas y proteínas fotorreceptoras. [186]

A diferencia de los animales en los que el crecimiento está determinado, es decir, cesa cuando se alcanza el estado adulto, el crecimiento de las plantas es indeterminado, ya que es un proceso abierto que potencialmente podría durar toda la vida. [184] Las plantas crecen de dos formas: primaria y secundaria. En el crecimiento primario, los brotes y las raíces se forman y alargan. El meristemo apical produce el cuerpo vegetal primario, que se puede encontrar en todas las plantas con semillas. Durante el crecimiento secundario, el grosor de la planta aumenta a medida que el meristemo lateral produce el cuerpo de la planta secundaria, que se puede encontrar en eudicots leñosos como árboles y arbustos. Las monocotiledóneas no pasan por un crecimiento secundario. [184] El cuerpo de la planta se genera mediante una jerarquía de meristemos. Los meristemos apicales en los sistemas de raíces y brotes dan lugar a meristemas primarios (protodermo, meristemo molido y procambium), que a su vez dan lugar a los tres sistemas tisulares (dérmico, molido y vascular).

Reproducción vegetal

La mayoría de las angiospermas (o plantas con flores) participan en la reproducción sexual. [187] Sus flores son órganos que facilitan la reproducción, generalmente proporcionando un mecanismo para la unión de los espermatozoides con los óvulos. Las flores pueden facilitar dos tipos de polinización: autopolinización y polinización cruzada. La autopolinización ocurre cuando el polen de la antera se deposita sobre el estigma de la misma flor u otra flor de la misma planta. La polinización cruzada es la transferencia de polen de la antera de una flor al estigma de otra flor en un individuo diferente de la misma especie. La autopolinización ocurrió en flores donde el estambre y el carpelo maduran al mismo tiempo, y se colocan de manera que el polen pueda caer sobre el estigma de la flor. Esta polinización no requiere una inversión de la planta para proporcionar néctar y polen como alimento para los polinizadores. [188]

Respuestas de la planta

Al igual que los animales, las plantas producen hormonas en una parte de su cuerpo para indicar a las células de otra parte que respondan. La maduración de la fruta y la pérdida de hojas en el invierno están controladas en parte por la producción del gas etileno por parte de la planta. El estrés causado por la pérdida de agua, los cambios en la química del aire o el hacinamiento de otras plantas puede provocar cambios en la forma en que funciona una planta. Estos cambios pueden verse afectados por factores genéticos, químicos y físicos.

Para funcionar y sobrevivir, las plantas producen una amplia gama de compuestos químicos que no se encuentran en otros organismos. Debido a que no pueden moverse, las plantas también deben defenderse químicamente de los herbívoros, patógenos y la competencia de otras plantas. Lo hacen produciendo toxinas y productos químicos de mal sabor u olor. Otros compuestos defienden a las plantas contra las enfermedades, permiten la supervivencia durante la sequía y preparan las plantas para la latencia, mientras que otros compuestos se utilizan para atraer a los polinizadores o herbívoros para esparcir semillas maduras.

Muchos órganos vegetales contienen diferentes tipos de proteínas fotorreceptoras, cada una de las cuales reacciona de manera muy específica a ciertas longitudes de onda de luz. [189] Las proteínas fotorreceptoras transmiten información como si es de día o de noche, la duración del día, la intensidad de la luz disponible y la fuente de luz. Los brotes generalmente crecen hacia la luz, mientras que las raíces crecen lejos de ella, respuestas conocidas como fototropismo y skototropismo, respectivamente. Son provocados por pigmentos sensibles a la luz como fototropinas y fitocromos y la hormona vegetal auxina. [190] Muchas plantas con flores florecen en el momento apropiado debido a compuestos sensibles a la luz que responden a la duración de la noche, un fenómeno conocido como fotoperiodismo.

Además de la luz, las plantas pueden responder a otro tipo de estímulos. Por ejemplo, las plantas pueden sentir la dirección de la gravedad para orientarse correctamente. Pueden responder a la estimulación mecánica. [191]

Forma y función animal

Principios

Las células de cada cuerpo animal están bañadas en líquido intersticial, que constituye el entorno celular. Este fluido y todas sus características (por ejemplo, temperatura, composición iónica) pueden describirse como el ambiente interno del animal, que contrasta con el ambiente externo que abarca el mundo exterior del animal. [192] Los animales pueden clasificarse como reguladores o confórmeros. Los animales como los mamíferos y las aves son reguladores, ya que son capaces de mantener un entorno interno constante, como la temperatura corporal, a pesar de que sus entornos cambian. Estos animales también se describen como homeotermos ya que exhiben termorregulación al mantener constante su temperatura corporal interna. Por el contrario, los animales como los peces y las ranas son conformistas ya que adaptan su entorno interno (por ejemplo, la temperatura corporal) para que coincida con sus entornos externos. Estos animales también se describen como poiquilotermos o ectotermos, ya que permiten que la temperatura de su cuerpo coincida con su entorno externo. En términos de energía, la regulación es más costosa que la conformidad, ya que un animal expande más energía para mantener un entorno interno constante, como aumentar su tasa metabólica basal, que es la tasa de consumo de energía. [192] De manera similar, la homeotermia es más costosa que la poiquilotermia. La homeostasis es la estabilidad del entorno interno de un animal, que se mantiene mediante ciclos de retroalimentación negativa. [192] [193]

El tamaño corporal de los animales terrestres varía según las diferentes especies, pero su uso de energía no se escala linealmente de acuerdo con su tamaño. [192] Los ratones, por ejemplo, pueden consumir tres veces más comida que los conejos en proporción a su peso, ya que la tasa metabólica basal por unidad de peso en los ratones es mayor que en los conejos. [192] La actividad física también puede aumentar la tasa metabólica de un animal. Cuando un animal corre, su tasa metabólica aumenta linealmente con la velocidad. [192] Sin embargo, la relación no es lineal en los animales que nadan o vuelan. Cuando un pez nada más rápido, encuentra una mayor resistencia al agua y, por lo tanto, sus tasas metabólicas aumentan exponencialmente. [192] Alternativamente, la relación entre las velocidades de vuelo y las tasas metabólicas tiene forma de U en las aves. [192] A bajas velocidades de vuelo, un ave debe mantener altas tasas metabólicas para permanecer en el aire. A medida que acelera su vuelo, su tasa metabólica disminuye con la ayuda del aire que fluye rápidamente sobre sus alas. Sin embargo, a medida que aumenta aún más su velocidad, sus altas tasas metabólicas aumentan nuevamente debido al mayor esfuerzo asociado con las velocidades de vuelo rápidas. Las tasas metabólicas basales se pueden medir en función de la tasa de producción de calor de un animal.

Balance de agua y sal

Los fluidos corporales de un animal tienen tres propiedades: presión osmótica, composición iónica y volumen. [194] Las presiones osmóticas determinan la dirección de la difusión del agua (u ósmosis), que se mueve desde una región donde la presión osmótica (concentración total de soluto) es baja a una región donde la presión osmótica (concentración total de soluto) es alta. Los animales acuáticos son diversos con respecto a la composición de sus fluidos corporales y sus entornos. Por ejemplo, la mayoría de los animales invertebrados del océano tienen fluidos corporales isosmóticos con el agua de mar. En contraste, los peces óseos del océano tienen fluidos corporales que son hiposmóticos al agua de mar. Finalmente, los animales de agua dulce tienen fluidos corporales que son hiperosmóticos al agua dulce. Los iones típicos que se pueden encontrar en los fluidos corporales de un animal son sodio, potasio, calcio y cloruro. El volumen de fluidos corporales puede regularse por excreción. Los animales vertebrados tienen riñones, que son órganos excretores formados por diminutas estructuras tubulares llamadas nefronas, que producen orina a partir del plasma sanguíneo. La función principal de los riñones es regular la composición y el volumen del plasma sanguíneo mediante la eliminación selectiva de material del propio plasma sanguíneo. La capacidad de los animales xéricos, como las ratas canguro, de minimizar la pérdida de agua al producir una concentración de orina de 10 a 20 veces superior a la del plasma sanguíneo, les permite adaptarse en entornos desérticos que reciben muy poca precipitación. [194]

Nutrición y digestión

Los animales son heterótrofos ya que se alimentan de otros organismos vivos para obtener energía y compuestos orgánicos. [195] Pueden obtener alimentos de tres formas principales, como dirigirse a objetos comestibles visibles, recolectar partículas diminutas de alimentos o depender de microbios para necesidades alimentarias críticas. La cantidad de energía almacenada en los alimentos se puede cuantificar en función de la cantidad de calor (medida en calorías o kilojulios) emitida cuando los alimentos se queman en presencia de oxígeno. Si un animal consumiera alimentos que contienen una cantidad excesiva de energía química, almacenará la mayor parte de esa energía en forma de lípidos para uso futuro y parte de esa energía como glucógeno para un uso más inmediato (p. Ej., Para satisfacer las necesidades energéticas del cerebro ). [195] Las moléculas de los alimentos son componentes químicos necesarios para el crecimiento y el desarrollo. Estas moléculas incluyen nutrientes como carbohidratos, grasas y proteínas. Las vitaminas y los minerales (por ejemplo, calcio, magnesio, sodio y fósforo) también son esenciales. El sistema digestivo, que generalmente consiste en un tracto tubular que se extiende desde la boca hasta el ano, está involucrado en la descomposición (o digestión) de los alimentos en pequeñas moléculas a medida que viajan peristálticamente a través de la luz intestinal poco después de haber sido ingeridos. Estas pequeñas moléculas de alimentos luego se absorben en la sangre desde la luz, donde luego se distribuyen al resto del cuerpo como bloques de construcción (por ejemplo, aminoácidos) o fuentes de energía (por ejemplo, glucosa). [195]

Además de sus tractos digestivos, los animales vertebrados tienen glándulas accesorias como el hígado y el páncreas como parte de sus sistemas digestivos. [195] El procesamiento de los alimentos en estos animales comienza en el intestino anterior, que incluye la boca, el esófago y el estómago. La digestión mecánica de los alimentos comienza en la boca y el esófago actúa como un conducto para que los alimentos lleguen al estómago, donde se almacenan y desintegran (por el ácido del estómago) para su posterior procesamiento. Al salir del estómago, los alimentos ingresan al intestino medio, que es la primera parte del intestino (o intestino delgado en los mamíferos) y es el sitio principal de digestión y absorción. Los alimentos que no se absorben se almacenan como desechos no digeribles (o heces) en el intestino posterior, que es la segunda parte del intestino (o intestino grueso en los mamíferos). Luego, el intestino grueso completa la reabsorción del agua y la sal necesarias antes de eliminar las heces del recto. [195]

Respiración

El sistema respiratorio consta de órganos y estructuras específicos que se utilizan para el intercambio de gases en animales y plantas. La anatomía y fisiología que hacen que esto suceda varía mucho, dependiendo del tamaño del organismo, el entorno en el que vive y su historia evolutiva. En los animales terrestres, la superficie respiratoria se internaliza como revestimientos de los pulmones. [196] El intercambio de gases en los pulmones ocurre en millones de pequeños sacos de aire en mamíferos y reptiles, estos se denominan alvéolos, y en las aves se conocen como aurículas. Estos sacos de aire microscópicos tienen un riego sanguíneo muy rico, por lo que el aire entra en estrecho contacto con la sangre. [197] Estos sacos de aire se comunican con el entorno externo a través de un sistema de vías respiratorias o tubos huecos, de los cuales el más grande es la tráquea, que se ramifica en el medio del tórax hacia los dos bronquios principales. Estos ingresan a los pulmones donde se ramifican en bronquios secundarios y terciarios progresivamente más estrechos que se ramifican en numerosos tubos más pequeños, los bronquiolos. En las aves, los bronquiolos se denominan parabronquios. Son los bronquiolos o parabronquios los que generalmente se abren hacia los alvéolos microscópicos en los mamíferos y las aurículas en las aves. El aire debe bombearse desde el medio ambiente hacia los alvéolos o las aurículas mediante el proceso de respiración que involucra a los músculos de la respiración.

Circulación

Un sistema circulatorio generalmente consta de una bomba muscular, como un corazón, un líquido (sangre) y un sistema de vasos sanguíneos que lo suministra. [198] [199] Su función principal es transportar sangre y otras sustancias hacia y desde células (biología) y tejidos. Hay dos tipos de sistemas circulatorios: abiertos y cerrados. En los sistemas circulatorios abiertos, la sangre sale de los vasos sanguíneos mientras circula por el cuerpo, mientras que en el sistema circulatorio cerrado, la sangre está contenida dentro de los vasos sanguíneos mientras circula. Los sistemas circulatorios abiertos se pueden observar en animales invertebrados como los artrópodos (por ejemplo, insectos, arañas y langostas), mientras que los sistemas circulatorios cerrados se pueden encontrar en animales vertebrados como peces, anfibios y mamíferos. La circulación en animales ocurre entre dos tipos de tejidos: tejidos sistémicos y órganos respiratorios (o pulmonares). [198] Los tejidos sistémicos son todos los tejidos y órganos que forman el cuerpo de un animal además de los órganos respiratorios. Los tejidos sistémicos absorben oxígeno pero agregan dióxido de carbono a la sangre, mientras que los órganos respiratorios absorben dióxido de carbono pero agregan oxígeno a la sangre. [200] En aves y mamíferos, los sistemas sistémico y pulmonar están conectados en serie.

En el sistema circulatorio, la sangre es importante porque es el medio por el cual se transportan el oxígeno, el dióxido de carbono, los nutrientes, las hormonas, los agentes del sistema inmunológico, el calor, los desechos y otros productos básicos. [198] En anélidos como las lombrices de tierra y las sanguijuelas, la sangre es impulsada por ondas peristálticas de contracciones de los músculos del corazón que forman los vasos sanguíneos. Otros animales, como los crustáceos (por ejemplo, cangrejos de río y langostas), tienen más de un corazón para impulsar la sangre a través de sus cuerpos. Los corazones de los vertebrados tienen varias cámaras y pueden bombear sangre cuando sus ventrículos se contraen en cada ciclo cardíaco, lo que impulsa la sangre a través de los vasos sanguíneos. [198] Aunque los corazones de los vertebrados son miogénicos, su tasa de contracción (o frecuencia cardíaca) puede ser modulada por la información neuronal del sistema nervioso autónomo del cuerpo.

Músculo y movimiento

En los vertebrados, el sistema muscular consta de músculos esqueléticos, lisos y cardíacos. Permite el movimiento del cuerpo, mantiene la postura y hace circular la sangre por todo el cuerpo. [201] Junto con el sistema esquelético, forma el sistema musculoesquelético, que es responsable del movimiento de los animales vertebrados. [202] Las contracciones del músculo esquelético son neurogénicas ya que requieren información sináptica de las neuronas motoras. Una sola motoneurona puede inervar múltiples fibras musculares, lo que hace que las fibras se contraigan al mismo tiempo. Una vez inervados, los filamentos de proteína dentro de cada fibra del músculo esquelético se deslizan entre sí para producir una contracción, que se explica por la teoría del filamento deslizante. La contracción producida puede describirse como una contracción, sumatoria o tétanos, según la frecuencia de los potenciales de acción. A diferencia de los músculos esqueléticos, las contracciones de los músculos lisos y cardíacos son miogénicas, ya que son iniciadas por las propias células del músculo liso o cardíaco en lugar de una neurona motora. Sin embargo, la fuerza de sus contracciones puede modularse mediante la entrada del sistema nervioso autónomo. Los mecanismos de contracción son similares en los tres tejidos musculares.

En invertebrados como las lombrices de tierra y las sanguijuelas, las células de los músculos circulares y longitudinales forman la pared corporal de estos animales y son responsables de su movimiento. [203] En una lombriz de tierra que se mueve a través del suelo, por ejemplo, las contracciones de los músculos circulares y longitudinales ocurren recíprocamente mientras que el fluido celómico sirve como un hidroesqueleto al mantener la turgencia de la lombriz de tierra. [204] Otros animales, como los moluscos y los nematodos, poseen músculos estriados oblicuamente, que contienen bandas de filamentos gruesos y delgados que están dispuestos helicoidalmente en lugar de transversalmente, como en los músculos esqueléticos o cardíacos de los vertebrados. [205] Los insectos avanzados como avispas, moscas, abejas y escarabajos poseen músculos asincrónicos que constituyen los músculos de vuelo en estos animales. [205] Estos músculos de vuelo a menudo se denominan músculos fibrilares porque contienen miofibrillas gruesas y llamativas. [206]

Sistema nervioso

El sistema nervioso es una red de células que procesa información sensorial y genera comportamientos. A nivel celular, el sistema nervioso se define por la presencia de neuronas, que son células especializadas para manejar información. [208] Pueden transmitir o recibir información en sitios de contactos llamados sinapsis. [208] Más específicamente, las neuronas pueden conducir impulsos nerviosos (o potenciales de acción) que viajan a lo largo de sus delgadas fibras llamadas axones, que luego pueden transmitirse directamente a una célula vecina a través de sinapsis eléctricas o provocar la liberación de sustancias químicas llamadas neurotransmisores en las sinapsis químicas. Según la teoría del sodio, estos potenciales de acción pueden generarse por el aumento de la permeabilidad de la membrana celular de la neurona a los iones de sodio. [209] Células como neuronas o células musculares pueden excitarse o inhibirse al recibir una señal de otra neurona. Las conexiones entre neuronas pueden formar vías neuronales, circuitos neuronales y redes más grandes que generan la percepción del mundo de un organismo y determinan su comportamiento. Junto con las neuronas, el sistema nervioso contiene otras células especializadas llamadas glía o células gliales, que brindan apoyo estructural y metabólico.

Los sistemas nerviosos se encuentran en la mayoría de los animales multicelulares, pero su complejidad varía mucho. [210] En los vertebrados, el sistema nervioso está formado por el sistema nervioso central (SNC), que incluye el cerebro y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico (SNP), que consta de nervios que conectan el SNC con todas las demás partes del sistema nervioso. cuerpo. Los nervios que transmiten señales desde el SNC se denominan nervios motores o nervios eferentes, mientras que los nervios que transmiten información desde el cuerpo al SNC se denominan nervios sensoriales o nervios aferentes. Los nervios espinales son nervios mixtos que cumplen ambas funciones. El SNP se divide en tres subsistemas separados, los sistemas nerviosos somático, autónomo y entérico. Los nervios somáticos median el movimiento voluntario. El sistema nervioso autónomo se subdivide en los sistemas nerviosos simpático y parasimpático. El sistema nervioso simpático se activa en casos de emergencia para movilizar energía, mientras que el sistema nervioso parasimpático se activa cuando los organismos se encuentran en un estado relajado. El sistema nervioso entérico funciona para controlar el sistema gastrointestinal. Tanto el sistema nervioso autónomo como el entérico funcionan involuntariamente. Los nervios que salen directamente del cerebro se denominan nervios craneales, mientras que los que salen de la médula espinal se denominan nervios espinales.

Muchos animales tienen órganos de los sentidos que pueden detectar su entorno. Estos órganos de los sentidos contienen receptores sensoriales, que son neuronas sensoriales que convierten los estímulos en señales eléctricas. [211] Los mecanorreceptores, por ejemplo, que se pueden encontrar en la piel, los músculos y los órganos auditivos, generan potenciales de acción en respuesta a cambios en las presiones. [211] [212] Las células fotorreceptoras, como bastones y conos, que forman parte de la retina de los vertebrados, pueden responder a longitudes de onda de luz específicas. [211] [212] Los quimiorreceptores detectan sustancias químicas en la boca (sabor) o en el aire (olor). [212]

Control hormonal

Las hormonas son moléculas de señalización transportadas en la sangre a órganos distantes para regular su función. [213] [214] Las hormonas son secretadas por glándulas internas que son parte del sistema endocrino de un animal. En los vertebrados, el hipotálamo es el centro de control neural de todos los sistemas endocrinos. En los seres humanos específicamente, las principales glándulas endocrinas son la glándula tiroides y las glándulas suprarrenales. Muchos otros órganos que forman parte de otros sistemas corporales tienen funciones endocrinas secundarias, que incluyen huesos, riñones, hígado, corazón y gónadas. Por ejemplo, los riñones secretan la hormona endocrina eritropoyetina. Las hormonas pueden ser complejos de aminoácidos, esteroides, eicosanoides, leucotrienos o prostaglandinas. [215] El sistema endocrino puede contrastarse tanto con las glándulas exocrinas, que secretan hormonas al exterior del cuerpo, como con la señalización paracrina entre las células a una distancia relativamente corta. Las glándulas endocrinas no tienen conductos, son vasculares y comúnmente tienen vacuolas o gránulos intracelulares que almacenan sus hormonas. Por el contrario, las glándulas exocrinas, como las glándulas salivales, las glándulas sudoríparas y las glándulas dentro del tracto gastrointestinal, tienden a ser mucho menos vasculares y tienen conductos o una luz hueca.

Reproducción animal

Los animales pueden reproducirse de dos formas: asexual y sexual. Casi todos los animales participan en alguna forma de reproducción sexual. [216] Producen gametos haploides por meiosis. Los gametos móviles más pequeños son los espermatozoides y los gametos inmóviles más grandes son los óvulos. [217] Estos se fusionan para formar cigotos, [218] que se desarrollan a través de la mitosis en una esfera hueca, llamada blástula. En las esponjas, las larvas de blástula nadan hacia una nueva ubicación, se adhieren al lecho marino y se convierten en una nueva esponja. [219] En la mayoría de los otros grupos, la blástula sufre un reordenamiento más complicado. [220] Primero se invagina para formar una gástrula con una cámara digestiva y dos capas germinales separadas, un ectodermo externo y un endodermo interno. [221] En la mayoría de los casos, una tercera capa germinal, el mesodermo, también se desarrolla entre ellos. [222] Estas capas germinales luego se diferencian para formar tejidos y órganos. [223] Algunos animales son capaces de reproducirse asexualmente, lo que a menudo resulta en un clon genético del padre. Esto puede tener lugar a través del brote de fragmentación, como en Hidra y otros cnidarios o partenogénesis, donde se producen huevos fértiles sin apareamiento, como en los pulgones. [224] [225]

Desarrollo animal

El desarrollo animal comienza con la formación de un cigoto que resulta de la fusión de un espermatozoide y un óvulo durante la fertilización. [226] El cigoto se somete a múltiples rondas rápidas de división celular de células mitóticas llamadas clivaje, que forma una bola de células similares llamada blástula. Se produce la gastrulación, mediante la cual los movimientos morfogenéticos convierten la masa celular en tres capas germinales que comprenden el ectodermo, el mesodermo y el endodermo.

El final de la gastrulación señala el comienzo de la organogénesis, mediante la cual las tres capas germinales forman los órganos internos del organismo. [227] Las células de cada una de las tres capas germinales se diferencian, un proceso en el que las células menos especializadas se vuelven más especializadas a través de la expresión de un conjunto específico de genes. La diferenciación celular está influenciada por señales extracelulares como los factores de crecimiento que se intercambian con las células adyacentes, lo que se denomina señalización yuxtracrina, o con las células vecinas en distancias cortas, lo que se denomina señalización paracrina. [228] [229] Las señales intracelulares consisten en una señal celular en sí misma (señalización autocrina), que también juega un papel en la formación de órganos. Estas vías de señalización permiten el reordenamiento celular y aseguran que los órganos se formen en sitios específicos dentro del organismo. [227] [230]

Sistema inmune

El sistema inmunológico es una red de procesos biológicos que detecta y responde a una amplia variedad de patógenos. Muchas especies tienen dos subsistemas principales del sistema inmunológico. El sistema inmunológico innato proporciona una respuesta preconfigurada a amplios grupos de situaciones y estímulos. El sistema inmunológico adaptativo proporciona una respuesta personalizada a cada estímulo al aprender a reconocer las moléculas que ha encontrado previamente. Ambos usan moléculas y células para realizar sus funciones.

Casi todos los organismos tienen algún tipo de sistema inmunológico. Las bacterias tienen un sistema inmunológico rudimentario en forma de enzimas que protegen contra las infecciones por virus. Otros mecanismos inmunitarios básicos evolucionaron en plantas y animales antiguos y permanecen en sus descendientes modernos. Estos mecanismos incluyen la fagocitosis, péptidos antimicrobianos llamados defensinas y el sistema del complemento. Los vertebrados con mandíbulas, incluidos los humanos, tienen mecanismos de defensa aún más sofisticados, incluida la capacidad de adaptarse para reconocer patógenos de manera más eficiente. La inmunidad adaptativa (o adquirida) crea una memoria inmunológica que conduce a una respuesta mejorada a los encuentros posteriores con ese mismo patógeno. Este proceso de inmunidad adquirida es la base de la vacunación.

Conducta animal

Los comportamientos juegan un papel central en la interacción de los animales entre sí y con su entorno. [231] Pueden usar sus músculos para acercarse, vocalizar, buscar refugio y migrar. El sistema nervioso de un animal activa y coordina sus comportamientos. Los patrones de acción fijos, por ejemplo, son conductas estereotipadas y determinadas genéticamente que ocurren sin aprendizaje. [231] [232] Estos comportamientos están bajo el control del sistema nervioso y pueden ser bastante elaborados. [231] Los ejemplos incluyen el picoteo de los polluelos de la gaviota cocinera en el punto rojo del pico de su madre. Otros comportamientos que han surgido como resultado de la selección natural incluyen el forrajeo, el apareamiento y el altruismo. [233] Además del comportamiento evolucionado, los animales han desarrollado la capacidad de aprender modificando sus comportamientos como resultado de experiencias individuales tempranas. [231]

Ecología

Ecosistemas

La ecología es el estudio de la distribución y abundancia de organismos vivos, la interacción entre ellos y su entorno. [234] La comunidad de organismos vivos (bióticos) junto con los componentes no vivos (abióticos) (por ejemplo, agua, luz, radiación, temperatura, humedad, atmósfera, acidez y suelo) de su entorno se denomina ecosistema. [235] [236] [237] Estos componentes bióticos y abióticos están vinculados entre sí a través de ciclos de nutrientes y flujos de energía. [238] La energía del sol ingresa al sistema a través de la fotosíntesis y se incorpora al tejido vegetal. Al alimentarse de plantas y unos de otros, los animales juegan un papel importante en el movimiento de materia y energía a través del sistema. También influyen en la cantidad de biomasa vegetal y microbiana presente. Al descomponer la materia orgánica muerta, los descomponedores liberan carbono a la atmósfera y facilitan el ciclo de nutrientes al convertir los nutrientes almacenados en la biomasa muerta a una forma que las plantas y otros microbios pueden utilizar fácilmente. [239]

El entorno físico de la Tierra está formado por la energía solar y la topografía. [237] La ​​cantidad de entrada de energía solar varía en el espacio y el tiempo debido a la forma esférica de la Tierra y su inclinación axial. La variación en la entrada de energía solar impulsa los patrones meteorológicos y climáticos. El tiempo es la actividad diaria de temperatura y precipitación, mientras que el clima es el promedio del tiempo a largo plazo, generalmente promediado durante un período de 30 años. [240] [241] La variación en la topografía también produce heterogeneidad ambiental. En el lado de barlovento de una montaña, por ejemplo, el aire se eleva y se enfría, y el agua cambia de forma gaseosa a líquida o sólida, lo que produce precipitaciones como lluvia o nieve. [237] Como resultado, los ambientes húmedos permiten que crezca una vegetación exuberante. Por el contrario, las condiciones tienden a ser secas en el lado de sotavento de una montaña debido a la falta de precipitación a medida que el aire desciende y se calienta, y la humedad permanece como vapor de agua en la atmósfera. La temperatura y la precipitación son los principales factores que dan forma a los biomas terrestres.

Poblaciones

Una población es el número de organismos de la misma especie que ocupan un área y se reproducen de generación en generación. [242] [243] [244] [245] [246] Su abundancia se puede medir usando la densidad de población, que es el número de individuos por unidad de área (por ejemplo, tierra o árbol) o volumen (por ejemplo, mar o aire). [242] Dado que generalmente no es práctico contar a cada individuo dentro de una gran población para determinar su tamaño, el tamaño de la población se puede estimar multiplicando la densidad de población por el área o el volumen. El crecimiento de la población durante intervalos de corto plazo se puede determinar utilizando la ecuación de la tasa de crecimiento de la población, que toma en consideración las tasas de natalidad, muerte e inmigración. A más largo plazo, el crecimiento exponencial de una población tiende a desacelerarse a medida que alcanza su capacidad de carga, que puede modelarse utilizando la ecuación logística. [243] La capacidad de carga de un ambiente es el tamaño máximo de población de una especie que puede ser sostenida por ese ambiente específico, dados los alimentos, el hábitat, el agua y otros recursos disponibles. [247] La ​​capacidad de carga de una población puede verse afectada por condiciones ambientales cambiantes, como cambios en la disponibilidad de recursos y el costo de mantenerlos. En las poblaciones humanas, las nuevas tecnologías, como la revolución verde, han ayudado a aumentar la capacidad de carga de la Tierra para los humanos a lo largo del tiempo, lo que ha obstaculizado los intentos de predicción de una disminución inminente de la población, la famosa de Thomas Malthus en el siglo XVIII. [242]

Comunidades

Una comunidad es un grupo de poblaciones de dos o más especies diferentes que ocupan la misma zona geográfica al mismo tiempo. Una interacción biológica es el efecto que tienen unos sobre otros un par de organismos que viven juntos en una comunidad. Pueden ser de la misma especie (interacciones intraespecíficas) o de diferentes especies (interacciones interespecíficas). Estos efectos pueden ser a corto plazo, como la polinización y la depredación, o a largo plazo, ambos a menudo influyen fuertemente en la evolución de las especies involucradas. Una interacción a largo plazo se llama simbiosis. Las simbiosis van desde el mutualismo, beneficioso para ambos socios, hasta la competencia, perjudicial para ambos. [249]

Cada especie participa como consumidor, recurso o ambos en las interacciones consumidor-recurso, que forman el núcleo de las cadenas alimentarias o las redes alimentarias. [250] Existen diferentes niveles tróficos dentro de cualquier red trófica, siendo el nivel más bajo los productores primarios (o autótrofos), como las plantas y las algas, que convierten la energía y el material inorgánico en compuestos orgánicos, que luego pueden ser utilizados por el resto de los países. comunidad. [54] [251] [252] En el siguiente nivel están los heterótrofos, que son las especies que obtienen energía al separar los compuestos orgánicos de otros organismos. [250] Los heterótrofos que consumen plantas son consumidores primarios (o herbívoros) mientras que los heterótrofos que consumen herbívoros son consumidores secundarios (o carnívoros). Y los que comen consumidores secundarios son consumidores terciarios y así sucesivamente. Los heterótrofos omnívoros pueden consumir en múltiples niveles. Finalmente, existen descomponedores que se alimentan de los productos de desecho o cadáveres de organismos. [250]

En promedio, la cantidad total de energía incorporada a la biomasa de un nivel trófico por unidad de tiempo es aproximadamente una décima parte de la energía del nivel trófico que consume. Los desechos y los materiales muertos utilizados por los descomponedores, así como el calor perdido por el metabolismo, constituyen el otro noventa por ciento de la energía que no es consumida por el siguiente nivel trófico. [253]

Biosfera

En el ecosistema global (o biosfera), la materia existe como diferentes compartimentos que interactúan, que pueden ser bióticos o abióticos, así como accesibles o inaccesibles, según sus formas y ubicaciones. [255] Por ejemplo, la materia de los autótrofos terrestres es biótica y accesible a otros organismos vivos, mientras que la materia de las rocas y los minerales es abiótica e inaccesible para los organismos vivos. Un ciclo biogeoquímico es una vía por la cual elementos específicos de la materia se entregan o se mueven a través de los compartimentos biótico (biosfera) y abiótico (litosfera, atmósfera e hidrosfera) de la Tierra. Existen ciclos biogeoquímicos para el nitrógeno, el carbono y el agua. En algunos ciclos hay embalses donde una sustancia permanece o es secuestrada durante un largo período de tiempo.

El cambio climático incluye tanto el calentamiento global impulsado por las emisiones de gases de efecto invernadero inducidas por el hombre como los cambios a gran escala resultantes en los patrones climáticos. Aunque ha habido períodos anteriores de cambio climático, desde mediados del siglo XX los seres humanos han tenido un impacto sin precedentes en el sistema climático de la Tierra y han provocado cambios a escala global. [256] El principal impulsor del calentamiento es la emisión de gases de efecto invernadero, de los cuales más del 90% son dióxido de carbono y metano. [257] La ​​quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) para el consumo de energía es la principal fuente de estas emisiones, con contribuciones adicionales de la agricultura, la deforestación y la fabricación.[258] El aumento de temperatura se acelera o atenúa por las reacciones climáticas, como la pérdida de la capa de nieve y hielo que refleja la luz solar, el aumento del vapor de agua (un gas de efecto invernadero en sí mismo) y los cambios en los sumideros de carbono terrestres y oceánicos.

Conservación

La biología de la conservación es el estudio de la conservación de la biodiversidad de la Tierra con el objetivo de proteger las especies, sus hábitats y ecosistemas de las tasas excesivas de extinción y la erosión de las interacciones bióticas. [259] [260] [261] Se ocupa de los factores que influyen en el mantenimiento, la pérdida y la restauración de la diversidad biológica y la ciencia del sustento de los procesos evolutivos que engendran diversidad genética, de poblaciones, especies y ecosistemas. [262] [263] [264] [265] La preocupación surge de estimaciones que sugieren que hasta el 50% de todas las especies del planeta desaparecerán en los próximos 50 años, [266] lo que ha contribuido a la pobreza, el hambre y la restablecer el curso de la evolución en este planeta. [267] [268] La diversidad biológica afecta el funcionamiento de los ecosistemas, que proporcionan una variedad de servicios de los que dependen las personas.

Los biólogos de la conservación investigan y educan sobre las tendencias de la pérdida de biodiversidad, la extinción de especies y el efecto negativo que tienen en nuestra capacidad para mantener el bienestar de la sociedad humana. Las organizaciones y los ciudadanos están respondiendo a la crisis actual de la biodiversidad a través de planes de acción de conservación que dirigen programas de investigación, monitoreo y educación que involucran preocupaciones a escalas locales a globales. [269] [262] [263] [264]


Tina M. Henkin es Profesora de Microbiología y Robert W. y Estelle S. Bingham Profesora de Ciencias Biológicas en la Universidad Estatal de Ohio, donde ha estado enseñando desde 1995. La Dra. Henkin recibió un doctorado en genética en la Universidad de Wisconsin.

Joseph E. Peters es profesor de microbiología y director del programa de posgrado en microbiología en la Universidad de Cornell, donde ha estado enseñando desde 2002. El Dr. Peters recibió un doctorado en microbiología en la Universidad de Maryland.


Bacterias y enfermedades

Las bacterias pueden multiplicarse y causar una infección en el torrente sanguíneo. La invasión del torrente sanguíneo por un tipo particular de bacteria se conoce como bacteriemia. Si las bacterias invasoras también liberan toxinas en el torrente sanguíneo, la enfermedad también se puede llamar envenenamiento de la sangre o septicemia. Estafilococo y Estreptococo se asocian típicamente con la septicemia.

El torrente sanguíneo es susceptible a la invasión de bacterias que ingresan a través de una herida o abrasión en la capa protectora de la piel del cuerpo, o como resultado de otra infección en otra parte del cuerpo, o después de la introducción de bacterias durante un procedimiento quirúrgico o mediante una aguja durante la inyección de un fármaco.

Dependiendo de la identidad de la bacteria infectante y del estado físico del huésped humano (principalmente con respecto a la eficiencia del sistema inmunológico), las infecciones bacteriémicas pueden no producir ningún síntoma. Sin embargo, algunas infecciones producen síntomas, que van desde una temperatura elevada, a medida que el sistema inmunológico hace frente a la infección, hasta una propagación de la infección al corazón (endocarditis o pericarditis) o al recubrimiento de las células nerviosas (meningitis). En casos más raros, una infección bacteriémica puede producir una condición conocida como choque séptico. Esto último ocurre cuando la infección supera la capacidad de los mecanismos de defensa del cuerpo para hacer frente. El shock séptico puede ser letal.

Las infecciones septicemiantes suelen ser el resultado de la propagación de una infección establecida. Las infecciones bacteriémicas (y septicémicas) a menudo surgen de bacterias que residen normalmente en la superficie de la piel o superficies internas, como las células epiteliales del tracto intestinal. En sus entornos normales, las bacterias son inofensivas e incluso pueden resultar beneficiosas. Sin embargo, si logran ingresar a otras partes del cuerpo, estas llamadas bacterias comensales pueden representar una amenaza para la salud. La entrada de estas bacterias comensales en el torrente sanguíneo es algo normal para la mayoría de las personas. En la mayoría de las personas, sin embargo, el sistema inmunológico es más que capaz de hacer frente a los invasores. Si el sistema inmunológico no funciona de manera eficiente, las bacterias invasoras pueden multiplicarse y establecer una infección. Ejemplos de condiciones que comprometen el sistema inmunológico son otra enfermedad (como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida y ciertos tipos de cáncer), ciertos tratamientos médicos como la irradiación y el abuso de drogas o alcohol.

Ejemplos de bacterias que se asocian más comúnmente con infecciones bacteriémicas son Estafilococo , Estreptococo , Pseudomonas , Haemophilus , y Escherichia coli .

La localización generalizada de la bacteriemia produce síntomas generalizados. Estos síntomas pueden incluir fiebre, escalofríos, dolor en el abdomen, náuseas con vómitos y una sensación general de mala salud. No todos estos síntomas están presentes al mismo tiempo. La naturaleza inespecífica de los síntomas puede evitar que el médico sospeche bacteriemia hasta que la infección esté más firmemente establecida. El choque séptico produce síntomas más drásticos, que incluyen tasas elevadas de respiración y latidos cardíacos, pérdida del conocimiento e insuficiencia de órganos en todo el cuerpo. El inicio del shock séptico puede ser rápido, por lo que la atención médica inmediata es fundamental.

Al igual que con muchas otras infecciones, las infecciones bacteriémicas se pueden prevenir mediante la observación de procedimientos higiénicos adecuados, incluido el lavado de manos, la limpieza de heridas y la limpieza de los lugares de inyección para liberar temporalmente la superficie de bacterias vivas. La tasa de infecciones bacteriémicas debidas a la cirugía es mucho menor ahora que en el pasado, debido al advenimiento de los procedimientos quirúrgicos estériles, pero sigue siendo una preocupación seria.

La infección bacteriana no siempre da como resultado una enfermedad, incluso si un patógeno es virulento (capaz de causar una enfermedad). Los pasos de la patogenia (el proceso de causar una enfermedad real) pueden depender de varios factores genéticos y ambientales. En algunos casos, las bacterias patógenas producen toxinas liberadas extracelularmente (exotoxinas) que migran desde el sitio real de la infección para causar daño a las células en otras partes del cuerpo.


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