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

Biología 3051
secciones 050 y 060
Dra. Inés Sastre-De Jesús
Oficina-B-047 Horas de oficina: Lunes, miércoles y viernes 10:00-10:50
http://academic.uprm.edu/~isastre/SyllabusISDJ.pdf

PowerPoint® Lecture Presentations for

Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Capítulo 1

Introducción: Temas que
estudiamos para conocer
sobre la vida
PowerPoint® Lecture Presentations for

Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece

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

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 vida
Los biólogos se formulan preguntas:
¿Cómo una célula se desarrolla para
producir un organismo?
¿Cómo trabaja la mente de los humanos?
¿Cómo interaccionan las comunidades de
seres vivos?

• ¿Podemos definir la vida con una sola
oración?
• Reconocemos lo que es vida por lo que hacen
los organismos.

Video: Seahorse Camouflage


Fig. 1-3

Orden

Respuestas
Al
ambiente
Adaptaciones
evolutivas

Regulación

Reproducen
Procesan
Energía Crecen y se
desarrollan

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

Células
Órganos y 10 µm
sistemas de Célula
órganos
Ecosistemas
Orgánulos
Comunidades
1 µm
átomos
Tejidos 50 µm
Poblaciones Moléculas
Organismos

Fig. 1-4a
La biosfera

Ecosistemas

Comunidades

Poblaciones
Organismos

Fig. 1-4b

Células
Órganos y 10 µm

sistemas de Célula
órganos
Orgánulos

1 µm

Átomos
Tejidos 50 µm

Moléculas

Fig. 1-4c

La biosfera

Fig. 1-4d

Ecosistemas

Fig. 1-4e

Comunidades

Fig. 1-4f

Poblaciones

Fig. 1-4g

Organisms

Fig. 1-4h

Órganos y sistemas de órganos

Fig. 1-4i

Tejidos
50 µm

Fig. 1-4j

10 µm

Célula

Células

Fig. 1-4k

1 µm

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?
– ¿Cómo el aumento de CO2 altera la biosfera?

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

Productores
(plantas y otros
organimos
Reciclaje fotosintéticos)
Calor
de
nutrientes

Energía química

Consumidores
(tales como
animales) Calor

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


Fig. 1-6

(a) Wings
(b) Bones
Infoldings of
membrane
Mitochondrion

100 µm 0.5 µm
(c) Neurons (d) Mitochondria

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

• 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


Fig. 1-8
Prokaryotic cell
Eukaryotic cell DNA
(no nucleus)
Membrane
Membrane
Cytoplasm

Organelles
Nucleus (contains DNA) 1 µm

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


Fig. 1-9

Sperm cell

Nuclei
containing
DNA

Fertilized egg Embryo’s cells with
with DNA from copies of inherited DNA
Egg cell both parents Offspring with traits
inherited from
both parents

• 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

Cell

(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. 1-12
Outer membrane
and 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
– Equipos de investigación interdisciplinarios

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 Feedback Animation: Positive Feedback


Fig. 1-13a

A
Negative
feedback –
Enzyme 1

B

D Enzyme 2
Excess D
blocks a step D D C

Enzyme 3

D

(a) Negative feedback

Fig. 1-13b

W

Enzyme 4

X
Positive
feedback +
Enzyme 5

Excess Z Z Y
stimulates a Z
step
Z Enzyme 6

Z

(b) Positive feedback

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

Ursus americanus
(American black bear)

Ursus

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
Plantae

Kingdom Fungi

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

15 µm 5 µm

Cilia of
Paramecium Cilia of
windpipe
cells
0.1 µm

Cross section of a cilium, as viewed
with an electron microscope

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 La teoría de Darwin
mecanismo detrás de la explica la dualidad de
descendencia con unidad y diversidad
modificaciones

• 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

1 Population 2 Elimination 3 Reproduction 4 Increasing
with varied of individuals of survivors. frequency
inherited traits. with certain of traits that
traits. 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 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

Warbler finches

Insect-eaters
Green warbler finch
Certhidea olivacea

COMMON Gray warbler finch
ANCESTOR Certhidea fusca

Seed-eater
Sharp-beaked
ground finch

Bud-eater
Geospiza difficilis
Vegetarian finch
Platyspiza crassirostris

Mangrove finch
Cactospiza heliobates

Insect-eaters
Tree finches
Woodpecker finch
Cactospiza pallida

Medium tree finch
Camarhynchus pauper
Large tree finch
Camarhynchus
psittacula
Small tree finch
Camarhynchus
parvulus

Cactus-flower-
Large cactus

eaters
ground finch
Geospiza conirostris
Cactus ground finch
Ground finches

Seed-eaters

Geospiza scandens

Small ground finch
Geospiza fuliginosa

Medium ground finch
Geospiza fortis

Large ground finch
Geospiza
magnirostris

Video: Albatross Courtship Ritual

Video: Blue-footed Boobies Courtship Ritual

Video: Galápagos Islands Overview

Video: Galápagos Marine Iguana

Video: Galápagos Sea Lion

Video: Galápagos 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


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: Hypothesis #2:
Dead batteries Burnt-out bulb

Prediction: Prediction:
Replacing batteries Replacing bulb
will fix problem will fix problem

Test prediction Test prediction

Test falsifies hypothesis Test does not falsify hypothesis

Fig. 1-24b

Hypothesis #1: Hypothesis #2:
Dead batteries Burnt-out bulb

Prediction: Prediction:
Replacing batteries Replacing bulb
will fix problem will fix problem

Test prediction Test prediction

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

Scarlet kingsnake (nonpoisonous)
Key
Range of scarlet
kingsnake only
Overlapping ranges of
scarlet kingsnake and
eastern coral snake

North
Carolina
Eastern coral snake
(poisonous)
South
Carolina

Scarlet kingsnake (nonpoisonous)

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

RESULTADOS

100 Artificial
kingsnakes
83% 84%
Percent of total attacks

Brown
80
on artificial snakes

artificial
snakes
60

40

20 17% 16%

0
Coral snakes Coral snakes
absent present

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
From From
body lungs

Right Left
atrium atrium

Right Left
ventricle ventricle

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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