Biology- Capítulo 1-Temas que estudiamos para conocer sobre la vida

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BiologyEighth Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp

Biología 3051 secciones 050 y 060 Biología 3051 secciones 050 y 060

Dra. Inés Sastre-De JesúsOficina-B-047 Horas de oficina: Lunes, miércoles y viernes 10:00-10:50

http://academic.uprm.edu/~isastre/SyllabusISDJ.pdf

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Neil Campbell and Jane Reece

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Introducción: Temas que estudiamos para conocer sobre la vida

Capítulo 1Capítulo 1

Al finalizar este capítulo debes poder:

1. Describir los temas que unen y caracterizan la biología

2. Distinguir entre los tres dominios de la vida y los reinos eucariontes

3. Distinguir entre los siguientes términos: a) ciencia de exploración vs. ciencia dirigida por hipótesis, b) datos cualitativos vs. cuantitativos, razonamiento inductivo vs. deductivo, ciencia vs. tecnología

Panorama: Preguntándonos sobre el mundo vivo

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

• Biología es el estudio científico de la vidaLos biólogos se formulan preguntas:

¿Cómo una célula se desarrolla paraproducir un organismo?

¿Cómo trabaja la mente de los humanos? ¿Cómo interaccionan las comunidades de

Fig. 1-1

Fig. 1-2

• ¿Podemos definir la vida con una sola oración?

• Reconocemos lo que es vida por lo que hacen los organismos.

Video: Seahorse CamouflageVideo: Seahorse Camouflage

Adaptaciones evolutivas

RespuestasAl ambiente

ReproducenCrecen y sedesarrollan

Procesan Energía

Regulación

Fig. 1-3

Concepto 1.1: Temas que conectan los conceptos biológicos

• La biología es más que pura memorización de hechos.

• Existen temas que nos ayudan a organizar la información biológica.

• Veamos ejemplos de estos temas.

1. Evolución- el tema que está en toda la biología

• El tema de la evolución conecta todo lo que sabemos sobre los seres vivos.

• Los organismos en el planeta son descendientes de ancestros comunes.

2. Tema: En la jerarquía biológica tenemos propiedades que surgen en cada nivel jerárquico.

• La vida puede estudiarse a diferentes niveles, esto es desde las moléculas hasta el planeta completo.

• Por lo tanto, el estudio de la vida puede dividirse en diferentes niveles de organización biológica.

Fig. 1-4

La biosfera

Comunidades

Poblaciones

Organismos

Ecosistemas

Órganos y sistemas de órganos

Células

Célula

Orgánulos

átomos

MoléculasTejidos

10 µm

50 µm

La biosfera

Comunidades

Poblaciones

Ecosistemas

Fig. 1-4a

Organismos

Fig. 1-4b

Células

Célula

Orgánulos

Átomos

MoléculasTejidos

10 µm

50 µm

Fig. 1-4c

La biosfera

Fig. 1-4d

Ecosistemas

Fig. 1-4e

Comunidades

Fig. 1-4f

Poblaciones

Fig. 1-4g

Organisms

Fig. 1-4h

Fig. 1-4i

Tejidos50 µm

Fig. 1-4j

Células

Célula

10 µm

Fig. 1-4k

Orgánulos

Fig. 1-4l

Átomos

Moléculas

2a. Sistemas biológicos tienen propiedades emergentes

• Propiedades Emergentes son el resultado del arreglo y la interacción entre las partes de un sistema.

• Las propiedades emergentes también las encontramos en los sistemas no-biológicos

• Por ejemplo, una bicicleta funcional surge cuando tenemos todas las partes necesarias y estas conectadas en la forma correcta.

2b. El poder y las limitaciones del reducimiento

• Podemos reducir los sistemas complejos a sus componentes más simples de manera que su estudio se haga manejable.

• Por ejemplo la estructura de la molécula de ADN

• Para entender/conocer la biología hacemos un balance entre reducimiento y propiedades emergentes.

• Por ejemplo, nuevo conocimiento surge de estudiar las interacciones de la molécula de AND con otras moléculas.

2c. Sistemas Biológicos

• Un sistema es la combinación de componentes que funcionan juntos.

• Sistemas biológicos son construcciones/ modelos que describen el comportamiento dinámico de los sistemas biológicos.

• Si usamos el enfoque de sistemas nos podemos preguntar:

¿Cómo una medicina para la presión afecta los órganos?

3. Tema: Los organismos interactúan con el medio ambiente: intercambian materia y energía

• Cada organismo interactúa con el medio ambiente y esto incluye lo vivo y no vivo.

• Tanto los organismos como el medio ambiente son afectados por estas interacciones.

Por ejemplo, un árbol toma agua y minerales del suelo y CO2 del aire; los árboles liberan oxigeno a la atmósfera y las raíces ayudan el suelo.

3a. La dinámica de los ecosistemas

• Incluye dos procesos:

– Reciclaje de nutrientes, en donde los materiales que son adquiridos por la plantas eventualmente regresan al suelo.

– El flujo de la energía solar de productores a consumidores.

Fig. 1-5

energía solar

Ecosistema

Reciclaje de

nutrientes

Productores(plantas y otros

organimos fotosintéticos)

Energía química

Consumidores(tales como animales)

3b. Conversión de energía

• El trabajo requiere un fuente de energía

• La energía se puede almacenar de diferentes formas: luz, química, cinética o termal

• La energía que intercambian los organismos con su ambiente usualmente envuelve transformaciones de la energía

• La energía fluye a través de un ecosistema usualmente entrando como luz y saliendo en forma de calor

4. Tema: La estructura y función están correlacionados con los niveles de organización de la biología

• En los organismos la estructura y función está bien relacionada

– Por ejemplo, una hoja es delgada y plana para maximizar la captura de luz que realizan los cloroplastos

(a) Wings

(c) Neurons

(b) BonesInfoldings ofmembrane

Mitochondrion

(d) Mitochondria0.5 µm100 µm

Fig. 1-6

5. Tema: En los organismos las células son la unidad básica de estructura y función

• La célula es la unidad más pequeña que puede llevar a cabo todas las actividades requeridas para decir que algo tiene vida.

• Todas las células:

– Están rodeadas por una membrana

– Usan AND como su información genética

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

25 µm

Fig. 1-7

• Una célula eucarionte tiene orgánulos formados por membrana y mayormente el más grande es el núcleo

• En contraste, una célula procarionte es simple, mayormente más pequeña y no contiene núcleo u otros orgánulos rodeados de membrana

• Bacterias y Archaea son procariontes; plantas, animales, y hongos son eucariontes

1 µmOrganelles

Nucleus (contains DNA)

Cytoplasm

Membrane

DNA(no nucleus)

Membrane

Eukaryotic cellProkaryotic cellFig. 1-8

6. Tema: La continuidad de la vida se sustenta en la herencia de información

• Los cromosomas contienen la mayoría del material genético en la forma de ADN (ácido desoxirribonucleico)

• ADN es la sustancia que contienen los genes

• Los genes son las unidades que se heredan y transmiten información de padres a hijos

6a. ADN estructura y función

• Cada cromosoma tiene una larga molécula de ADN con cientos o miles de genes

• ADN es heredado de padres a progenies/ hijos (as)

• ADN controla el desarrollo y mantenimiento del organismo

NucleicontainingDNA

Sperm cell

Egg cell

Fertilized eggwith DNA fromboth parents

Embryo’s cells withcopies of inherited DNA

Offspring with traitsinherited fromboth parents

Fig. 1-9

• Cada molécula de ADN está hecha de dos largas cadenas organizadas en una doble hélice

• Cada eslabón de la cadena puede ser uno de cuatro tipos de bloques químicos llamados nucleótidos

Fig. 1-10

Nucleus DNA

Nucleotide

(a) DNA double helix (b) Single strand of DNA

• Indirectamente, los genes controlan la producción de las proteínas

• ADN se transcribe a ARN el cual se traduce a una proteína

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

6b. Sistemas biológicos al nivel celular y molecular

• El genoma humano y de otros organismos ha sido secuenciado a través de máquinas que especifican los eslabones del ADN

• A través de un enfoque sistémico podemos conocer los genes y las proteínas de una célula

Fig. 1-11

Fig. 1-12Outer membraneand cell surface

Cytoplasm

Nucleus

Mapa de 2346

proteínas en una célula

de la mosca frutera

• Los avances en el conocimiento de sistemas biológicos a nivel celular y molecular dependen de:

Tecnología, la cual permite manejar muchos datos simultáneamente

– Bioinformática, nueva disciplina la cual permite el uso de herramientas computacionales para procesar un gran volumen de datos

7. Tema: los mecanismos de retroalimentación regulan los sistemas biológicos• Los mecanismos de retroalimentación permiten

que los sistemas biológicos se regulen por si mismos

• Negativa significa que según se acumula más de un producto, proceso que lo crea se hará más lento y por lo tanto se producirá menos

• Positiva significa que según se acumula más del producto, el proceso que lo crea se acelera y produce más

Animation: Negative FeedbackAnimation: Negative Feedback Animation: Positive FeedbackAnimation: Positive Feedback

Fig. 1-13a

Excess Dblocks a step

(a) Negative feedback

Negativefeedback

Enzyme 1

Enzyme 2

Enzyme 3

Fig. 1-13b

Excess Zstimulates a step

(b) Positive feedback

Positivefeedback

Enzyme 4

Enzyme 5

Enzyme 6Z

Concepto 1.2: El tema central: La evolución explica la unidad y diversidad de la vida

• “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution”—Theodosius Dobzhansky

• La evolución unifica la biología a diferentes escalas a través de la historia de la vida en el planeta

Diversidad de la vida: su organización

• Aproximadamente 1.8 millones especies se han identificado y nombrado

• Los estimado son que el total va de 10 millones a sobre 100

Agrupando las especies: una idea básica

• Taxonomía es la rama de la biología que nombra y clasifica las especies en grupos

• Dominios, seguidos de reinos son las unidades más amplias de clasificación

Fig. 1-14Species Genus Family Order Class Phylum Kingdom Domain

Ursus americanus(American black bear)

Ursidae

Carnivora

Mammalia

Chordata

Animalia

Eukarya

Los tres dominios de la vida

• El sistema de tres dominios es el usado hoy día y reemplaza al sistema de cinco reinos

• Dominio Bacteria y Dominio Archaea son de procariontes

• Dominio Eukarya incluye todos los organismos eucariontes

Fig. 1-15(a) DOMAIN BACTERIA

(b) DOMAIN ARCHAEA

(c) DOMAIN EUKARYA

Protists

Kingdom Fungi

KingdomPlantae

Kingdom Animalia

• El dominio Eukarya incluye tres reinos multicelulares:

– Plantae

– Fungi

– Animalia

Existe unidad en la diversidad de la vida

• Por ejemplo:

– ADN es el lenguaje genético común para todos los organismos

– Unidad es evidente en muchas de las características de la estructura celular

Fig. 1-16

Cilia ofParamecium

Cross section of a cilium, as viewedwith an electron microscope

Cilia ofwindpipecells

15 µm 5 µm

0.1 µm

Charles Darwin y la teoría de selección natural

•Los fósiles y otra evidencia apoyan la evolución de la vida en el planeta a través de millones de años

•En el 1859 Charles Darwin publicó el libro: On the Origin of Species by Means of Natural Selection

•Darwin planteó dos puntos: Las especies muestran evidencia que descendieron con modificaciones de un ancestro común

•La selección natural es el mecanismo detrás de la descendencia con modificaciones

La teoría de Darwin explica la dualidad de

unidad y diversidad

Fig. 1-19

• Qué observó Darwin:

– Las poblaciones de individuos tienen características que varían

– Muchas son heredables

– Se producen mas progenies de las que sobreviven

– Competencia es inevitable

– Especies generalmente se acomodan a su ambiente

• Darwin infirió que:

– Individuos que están más acoplados al ambiente probablemente sobreviran y se reproducirán

– Al pasar el tiempo, más individuos en la población tendrán más características ventajosas

• El ambiente natural “selecciona” para las características ventajosas

Fig. 1-20

Populationwith variedinherited traits.

Eliminationof individualswith certaintraits.

Reproductionof survivors.

Increasingfrequencyof traits that enhance survival and reproductive success.

• La selección natural es a veces evidente en las adaptaciones que poseen los organismos

• Las alas de los murciélagos

Video: Soaring HawkVideo: Soaring Hawk

Árbol de la vida

• “Unidad en la diversidad” surge de la “descendencia con modificación”

– Por ejemplo, las extremidades de los vertebrados comparten la misma estructura esqueletar (murciélago, humano, caballo y aleta de la ballena)

• Fósiles proveen evidencia de la unidad anatómica

• Darwin propuso que la selección natural puede causar que una especie ancestral de origen a uno o más descendientes

Por ejemplo, los pinzones de las Islas Galápagos

La relaciones evolutivas usualmente se ilustran con diagramas que parecen árboles

Fig. 1-22

COMMONANCESTOR

Warbler finches

Insect-eaters

Seed-eater Bud-eater

Insect-eaters

Tree finches

Green warbler finch Certhidea olivacea

Gray warbler finch Certhidea fusca

Sharp-beakedground finch Geospiza difficilisVegetarian finch Platyspiza crassirostris

Mangrove finch Cactospiza heliobates

Woodpecker finch Cactospiza pallida

Medium tree finch Camarhynchus pauperLarge tree finch Camarhynchus psittacula

Small tree finch Camarhynchus parvulus

Large cactusground finchGeospiza conirostrisCactus ground finchGeospiza scandens

Small ground finchGeospiza fuliginosa

Medium ground finchGeospiza fortis

Large ground finchGeospiza magnirostris

Ground finches

Seed-eaters

Cactus-flow

er-eaters

Video: Albatross Courtship RitualVideo: Albatross Courtship Ritual

Video: BlueVideo: Blue--footed Boobies Courtship Ritualfooted Boobies Courtship Ritual

Video: GalVideo: Galáápagos Marine Iguanapagos Marine Iguana

Video: GalVideo: Galáápagos Sea Lionpagos Sea Lion

Video: GalVideo: Galáápagos Islands Overviewpagos Islands Overview

Video: GalVideo: Galáápagos Tortoisepagos Tortoise

Concepto 1.3: Los científicos usan dos formas para investigar

• Ciencia se deriva del Latín y significa conocer

• Investigar (indagar) es la búsqueda de información y explicaciones

• En ciencia tenemos dos formas de indagar: Exploración (observación) y basándonos en hipótesis

Exploración

• Ciencia a través de Exploración describe las estructuras y procesos naturales

• Este enfoque se apoya en la observación y el análisis de datos

Tipos de Datos

• Datos son observaciones que anotamos

• Datos caen en dos categorías

– cualitativo, son descripciones que anotamos en vez de medidas

– cuantitativo, son medidas anotadas

Fig. 1-23

Exploración y razonamiento inductivo

• Razonamiento inductivo llega a conclusiones a través del proceso lógico que se inducción

• Observaciones repetidas pueden llevar a generalizaciones

– Por ejemplo, “el sol siempre sale por el Este”

Ciencia dirigida por hipótesis-

• Las observaciones nos pueden llevar a preguntas y a proponer explicaciones (hipótesis)

El papel de la hipótesis en la investigación

• Una hipótesis es una respuesta tentativa a una “buena” pregunta

• Una hipótesis lleva a predicciones que pueden ser demostradas con la observación o experimentación

• Por ejemplo,

– Observación: Tu linterna no trabaja

– Pregunta: Por qué no trabaja la linterna?

– Hipótesis 1: Las baterias están descargadas

– Hipótesis 2: La bombilla se fundió

• Ambas de estas hipótesis son demostrables

Fig. 1-24

Observations

Question

Hypothesis #1:Dead batteries

Hypothesis #2:Burnt-out bulb

Prediction:Replacing batterieswill fix problem

Prediction:Replacing bulbwill fix problem

Test prediction Test prediction

Test falsifies hypothesis Test does not falsify hypothesis

Fig. 1-24b

Test prediction

Hypothesis #1:Dead batteries

Hypothesis #2:Burnt-out bulb

Test prediction

Prediction:Replacing batterieswill fix problem

Prediction:Replacing bulbwill fix problem

Test falsifies hypothesis Test does not falsify hypothesis

La dedución: “Sí …entonces” es la lógica de la ciencia sustentada por un hipótesis

• Razonamiento Deductivo usa premisas generales para hacer predicciones especificas

• Por ejemplo, Si los organismos están compuestos de células, y los humanos son organismos, entonces los humanos están compuestos por células.

• La parte que sigue al entonces es la deducción.

Una mirada cercana a la ciencia sustentada por hipótesis

• Una hipótesis tiene que ser demostrable o que se pueda hacer falsa

• Por lo general se tiene más de una hipótesis

El mito del método científico

• El método científico es la situación ideal del proceso de investigación.

• La ciencia basada en hipótesis es lo descrito en los libros pero no siempre llevamos a cabo todos los pasos del método científico.

• La exploración ha contribuido mucho a la ciencia con una poca dependencia al método científico.

Estudiemos un caso donde se usa Ciencia investigativa: Mimetismo en poblaciones de culebras

• Muchas especies venenosas tienen colores brillantes los cuales alertan a los depredadores

• Las especies que las imitan son inofensivas

• Henry Bates propuso la hipótesis que este mimetismo evolucionó en las especies que las imitan como una adaptación que reduce su depredación

• Esta hipótesis fue evaluada con culebra venenosa coral del Este y la que es mimética, la culebra no venenosa “scarlet kingsnake”

• Ambas especies viven en las Carolinas, pero la segunda vive en regiones donde no ocurre la coral.

• Si los depredadores heredan la tendencia a evitar la coloración de la culebra colra, entonces el color de la “kingsnake” será atacado menos veces en el área donde la coral está presente.

Fig. 1-25

South Carolina

North Carolina

Scarlet kingsnake (nonpoisonous)

Eastern coral snake (poisonous)

Range of scarletkingsnake onlyOverlapping ranges ofscarlet kingsnake andeastern coral snake

Experimentos de campo con culebras artificiales

• Para evaluar la hipótesis de mimetismo los investigadores usaron culebras artificiales:

Un grupo experimental que se parecía a las “kingsnakes”

– Un grupo control que se parecía las culebras pardas

– Un número igual de ambos tipos fue colocado en el campo incluyendo lugares donde no ocurría la culebra venenosa

Fig. 1-26

(a) Artificial kingsnake

(b) Brown artificial snake that has been attacked

• Luego de cuatro semanas los investigadores removieron las culebras artificiales y contaron las marcas de mordeduras o de garras

• Los datos fueron como las predicciones de la hipótesis: las culebras con anillos fueron atacadas menos veces en el área donde ocurre la culebra coral

Fig. 1-27

Artificial kingsnakes

Brownartificial snakes

83% 84%

17% 16%

Coral snakesabsent

Coral snakespresent

RESULTADOS

Diseño de experimentos controlados• Un experimento controlado compara el grupo

experimental (las kingsnakes artificiales) con el grupo control (las culebras brown)

• Idealmente, solo la variable de interés (el color de las culebras artificiales) difiere entre los dos grupos

• Un experimento controlado significa que el grupo control es usado para cancelar el efecto de las variables no evaluadas

• Un experimento controlado no necesariamente mantiene constante todas las variable no evaluadas

Limitaciones de la ciencia

• En ciencia, las observaciones y los resultados deben ser repetibles

• La ciencia no puede sustentar o falsificar explicaciones sobrenaturales, las cuales están fuera de los límites de la ciencia

Teorías

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

– Más amplia que una hipótesis

– General, y puede llevar a otra hipótesis

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

Construcción de modelos científicos

• Modelos son representaciones de fenómenos naturales que toman forma de:

Diagramas

– Objetos tri-dimensionales

– Programas de Computadora

– Ecuaciones Matemáticas

Fig. 1-28

Frombody

Fromlungs

Rightatrium

Leftatrium

Leftventricle

Rightventricle

To lungs To body

Cultura científica

• La mayoría de los científicos trabajan en equipos. El equipo muchas veces incluye estudiantes graduados y sub-graduados

• La buena comunicación es importante para poder compartir resultados a través de seminarios, publicaciones y páginas y electrónicas

La ciencia, Tecnología, y la sociedad

• La meta de la ciencia es entender los fenómenos naturales

• La meta de la tecnología es aplicar conocimiento científico con un propósito en específico

• Ciencia y tecnología son interdependientes

• Biología está llena de descubrimientos mientras que la tecnología está llena de inventos

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

Por ejemplo, el descubrimiento del AND por James Watson y Francis Crick desencadenó en avances tecnológicos; como el hacer pruebas para enfermedades hereditarias

Planteamientos éticos pueden surgir con las nuevas tecnologías lo cual también tiene implicaciones políticas, económicas y culturales

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