Teoría de la evolución según Lamarck

Jean - Baptiste Lamarck

Herencia lamarckiana (1809)

Jean - Baptiste Lamarck fue un botánico y máximo experto en invertebrados. Argumentó que los seres vivos no evolucionaban a partir de una serie de sucesivas catástrofes y recreaciones, sino que experimentaban alteraciones graduales. Teorizó que, a medida que cambiaba el entorno, los organismos necesitaban cambiar para sobrevivir. Dijo que, si una parte del cuerpo se usaba más que antes, dicha parte aumentaría de tamaño o fuerza durante su vida, y, luego, ese aumento se transmitiría a la descendencia (hipótesis de uso - deshuso). Por ejemplo, si una jirafa estiraba el cuello para alcanzar las hojas más altas, se le alargaría, su progenie heredaría ese cuello más largo y, de seguir estirándolo, se alargaría todavía más en las siguientes generaciones. Asimismo, sostuvo que las aves zancudas habrían desarrollado patas largas al haberlas estirado para sacar el cuerpo del agua. Las partes del cuerpo poco usadas, es cambio, se atrofiarían o desaparecerían, lo cual explicaría por qué las serpientes perdieron las patas.

Mucho antes de que Lamarck falleciera, su teoría fue desafiada y rechazada por comunidades religiosas y científicas. Él murió ciego, en la pobreza y, aparentemente, en el olvido. En los últimos tiempos, el lamarckismo se ha reexaminado en relación con la epigenética, según la cual los rasgos se heredan por mecanismos ajenos a los genes. 

El ectodermo, que dará lugar a la piel y al sistema nervioso de los vertebrados

El endodermo, que dará lugar al sistema digestivo y a los pulmones de los vertebrados

El mesodermo, que dará lugar al corazón, la sangre, los huesos, las gónadas, los riñones y el tejido conectivo de los vertebrados

Teoría de las capas germinales (1828)

Casper Friedich Wolff aportó pruebas que apoyaban la teoría epigenética de la generación, es decir, que tras la concepción, el individuo empieza siendo una masa indiferenciada del huevo, de la que gradualmente se distingue y crece. Esta teoría sirvió como base para la teoría de las capas germinales.

En 1828 Ernst von Baer demostró que en todos los embriones vertebrados hay tres capas germinales concéntricas. En 1842 el embriólogo alemán Robert Remak aportó pruebas microscópicas de la existencia de esas capas y les puso nombres que todavía se utilizan. El ectodermo, la capa más interna, se convierte en la piel y los nervios; del endodermo, la capa más interna, surgen el sistema digestivo y los pulmones; y entre esas capas está el mesodermo, del que surgen la sangre, el corazón, los riñones, las gónadas, los huesos y los tejidos conectivos. Posteriormente se determinó que, mientras que todos los vertebrados muestran simetría bilateral y tienen tres capas germinales, los animales con simetría radial (las hidras y las anémonas de mar) tienen dos capas, y las esponjas de mar es el único ser con una sola capa.

Von Baer propuso otros principios de la embriología: las características generales de un grupo grande de animales aparecen antes que las características especializadas observadas en un grupo más pequeño. Todos los vertebrados empiezan desarrollando la piel, que en los peces genera escamas, en las aves, plumas, y en los mamíferos, pelo. En 1924 el descubrimiento de Hans Spemann sobre la inducción embrionaria desveló el modo en que grupos de células forman tejidos y órganos concretos. 

Estructura y partes del núcleo celular

El núcleo celular

El núcleo celular (1831)

En 1802 el botánico austriaco Franz Bauer llevó a cabo una observación documentada del núcleo celular. Pero fue en 1831 cuando Robert Brown (botánico escocés) describió por primera vez el aspecto del núcleo y publicó sus hallazgos dos años más tarde. En 1838 el botánico alemán Matthias Schleiden, codescubridor de la teoría celular, fue el primero en reconocer la conexión entre el núcleo y la división celular, y en 1877 Oscar Hertwig demostró la función del núcleo en la fertilización del huevo. 

El núcleo, el orgánulo más grande de la célula, contiene cromosomas y ácido desoxirribonucleico (ADN), y regula el metabolismo celular, la división celular, la expresión génica y la síntesis de proteínas. La envoltura nuclear (membrana de dos capas que rodea el núcleo separándolo del resto de la célula) se halla junto al retículo endoplasmático rugoso (RER), que es donde se sintetizan las proteínas. 

El ciclo del nitrógeno

La fijación biológica del nitrógeno

Rizhobium, un simbionte

Formación de los nódulos de las raíces de Rizhobium

Ciclo del nitrógeno y química de las plantas (1837)

Descubierto en 1772, el nitrógeno constituye el 78% de la atmósfera de la Tierra (cuatro veces más que el oxígeno) y es un componente esencial de los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. A través de una serie de interrelaciones mutuamente beneficiosas, el nitrógeno de la materia vegetal y animal en descomposición se hace disponible como nutriente vegetal soluble (nitratos y nitritos), y luego adquiere forma gaseosa y es devuelto a la atmósfera (nitrógeno atmosférico).

El químico agrícola francés Jean - Baptiste Boussingault estableció que el nitrógeno debía ser reducido por las plantas y los animales. Boussingault también determinó la naturaleza del movimiento del nitrógeno entre plantas, animales y el entorno físico, la fijación del nitrógeno atmosférico, el amoniaco del agua de las lluvias y la nitrificación. Además refutó la creencia general de que las plantas absorbían el nitrógeno directamente de la atmósfera y demostró que lo tomaban del suelo en forma de nitratos. 

En 1888 el químico agrícola alemán Hermann Hellriegel y el botánico y microbiólogo holandés Martinus Beijerinck descubrieron, cada uno por su lado, el mecanismo por el cual las plantas leguminosas utilizan el nitógeno atmosférico y los microbios del suelo lo convierten en amoniaco, nitratos y nitritos. Las bacterias simbióticas (mutualistas) que fijan el nitrógeno (como Rizhobium), que actúan en plantas de la familia de las leguminosas (soja, alfalfa, kuzu, guisantes, alubias y cacahuetes entre otras), penetran los capilares de las raíces de las plantas, se multiplican y estimulan la formación de nódulos en las raíces. Dentro de estos nódulos, las bacterias transforman el nitrógeno inorgánico y producen compuestos orgánicos nitrogenados que las legumbres pueden utilizar para crecer. Cuando la planta muere, el nitrógeno fijado se libera y queda disponible para otras plantas, por lo que además fertiliza el suelo. 

Estructura y composición de la unidad funcional del riñón, la nefrona

Fisiología de la nefrona

William Bowman

Formación de la orina (1842)

Una función corporal esencial en los organismos vivos consiste en equilibrar la ingesta de agua con la pérdida de la misma. Ese equilibrio se determina en gran medida por el volumen y la composición de la orina, que varía reflejando las necesidades de agua del organismo. Los organismos de agua dulce excretan orina muy diluida, mientras que los marinos, que tratan de retener el agua, la excretan altamente concentrada. Aunque depende del hábitat, los animales terrestres suelen retener agua y excretar orina concentrada.

El riñón filtra la sangre. En la mayoría de los mamíferos, las nefronas de los riñones filtran el plasma sanguíneo, y la mayor parte del agua y de los materiales útiles son devueltos al torrente sanguíneo y conservados en el cuerpo. El agua sobrante y los productos de desecho del metabolismo (incluida la urea, resultante del metabolismo de los aminoácidos) quedan en la orina y se eliminan. Ni los anfibios ni los peces retienen grandes cantidades de agua y, por lo tanto, excretan volúmenes de orina diluida, que contiene urea soluble en agua. En la mayoría de las aves, reptiles e insectos terrestres, en cambio, el producto final del metabolismo de los aminoácidos es el ácido úrico insoluble en agua (adaptación a la desecación del medio). La orina de aves y reptiles es una suspensión blanca de ácido úrico que, antes de ser eliminada, se mezcla con materia fecal.

El médico e histólogo inglés William Bowman estudió la estructura de los riñones por medio del examen microscópico. En 1842 identificó la cápsula glomerular (ahora llamada "cápsula de Bowman") en el inicio de la nefrona, la unidad funcional del riñón. Esa cápsula es la piedra angular de la teoría de la filtración de Bowman en la formación de la orina y la base de nuestra actual comprensión de la función renal. En 1844 Carl Ludwig propuso que la tensión arterial empujaba los fluidos de los capilares renales hacia las nefronas. Ese fluido contenía todos los componentes del plasma, excepto proteínas, y el agua se devolvía al torrente sanguíneo para concentrar la orina. Ludwig, uno de los más grandes fisiólogos de todos los tiempos, demostró que las funciones de los organismos vivos venían dictadas por leyes químicas y físicas, y no por leyes biológicas especiales ni influencias divinas. Más correctamente, argumentó que la orina se formaba en los riñones por un proceso de filtración, y no por fuerzas vitales, como sugería Bowman. 

Vías de la apoptosis

Diferencias entre apoptosis y necrosis

La proteína P53 como la principal reguladora del ciclo de división celular

Apoptosis, muerte celular programada (1842)

Hay "un tiempo para nacer y un tiempo para morir". Cada día las células del cuerpo, en particular las de la piel y la sangre, se reproducen. Como un número total debe permanecer constante, hace falta un mecanismo que mantenga el equilibrio y elimine las células de más. Ese mecanismo es la muerte celular programada (PCD), un proceso ordenado y altamente regulado cuya función es controlar la división celular normal (mitosis). Hay otras condiciones en que la eliminación de células (como las que están viejas, enfermas o dañadas por haber sido expuestas a materiales tóxicos o radiación) beneficia al organismo. Un ejemplo de PCD es la beneficiosa eliminación del revestimiento del útero con la menstruación. Hay muchos procesos de este tipo. Por ejemplo, el que no se produzca PCD puede proliferar un tumor o provocar que un bebé nazca con los dedos pegados.

En respuesta a señales procedentes del exterior y de dentro de la célula para iniciar la apoptosis, los componentes de la célula se descomponen y condensan, y ella se va encogiendo. Esos restos celulares (cuerpos apoptóticos) quedan encerrados en una membrana que los amuralla evitando que afecten a otras células cercanas. Las células fagocíticas engullen entonces los fragmentos y los destruyen. 

Carl Vogt, biólogo alemán, fue el primero en describir el concepto de PCD en 1842 cuando estudiaba el desarrollo de renacuajos. El interés por la PCD se reavivó en 1965 cuando el patólogo australiano John Foxton Ross Kerr describió por primera vez las características ultramicroscópicas de la PCD y lo que diferenciaba el proceso normal de la necrosis causada por lesión de los tejidos. Fue Kerr el primero que se refirió a la PCD como apoptosis. En la década de 1970 John E. Sulston, H. Robert Horvitz y Sydney Brenner, que trabajaban en la Universidad de Cambridge y estudiaban la secuencia genética de los parásitos intestinales, profundizaron en la apoptosis es escala molecular. Los tres recibieron Premio Nobel en 2002. 

Esquema de la fotosíntesis en un cloroplasto

Estructura de un cloroplasto 

Fotosíntesis (1845)

La fotosíntesis es vital para la supervivencia de los organismos vivos, porque captura la energía del sol y la convierte en energía química que se requiere para llevar a cabo procesos biológicos. En su ausencia habría poco alimento o materia orgánica, y la mayoría de los organismos dejarían de existir en una atmósfera carente de oxígeno. 

En este proceso, el dióxido de carbono del aire entra por los estomas, poros en la superficie de las hojas, y se difunde por la células que forman la mayor parte de la sustancia de la hoja (mesófilo). La luz del sol es absorbida por la clorofila, un pigmento verde que se encuentra en los cloroplastos, las estructuras celulares donde tiene lugar la fotosíntesis. La fotosíntesis acontece en dos fases: la luminosa o fotoquímica y la mal llamada oscura (porque se inhibe tras unos minutos en oscuridad), fase de fijación del dióxido de carbono o ciclo de Calvin. En la fase fotoquímica, la luz solar se convierte en energía química que se almacena en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y NADPH, una molécula muy energética y cargada con dos electrones procedentes del agua, que se descompone liberando oxígeno. En la etapa de fijación del dióxido de carbono, este, gracias la energía del ATP y a los electrones del NADPH, forma moléculas de azúcares sencillos (triosas fosfato) que darán lugar a todos los compuestos bioquímicos de la planta. 

Homeostasis y diferencias entre retroalimentación negativa y positiva

Claude Bernard

Homeostasis (1854)

Claude Bernard es el padre de la fisiología experimental moderna. Entre sus múltiples logros se cuentan varios estudios sobre la función del hígado en el metabolismo de los hidratos de carbono, las secreciones pancreáticas en la digestión, la influencia del sistema nervioso involuntario en la regulación de la tensión arterial y la naturaleza de la toxicidad del monóxido de carbono y el curare. Su mayor contribución fue su formulación de la homeostasis, y que se considera uno de los principios unificadores de la biología moderna. 

Bernard observó que los animales residen en dos medios, uno externo y otro interno. Las formas de vida primitivas evolucionaron en el mar, que proporcionaba un medio externo relativamente estable. Sin embargo, con la evolución, esas formas de vida se trasladaron a medio terrestres inestables en lo que respecta a temperatura ambiente, composición de sal y agua y pH. Su supervivencia requirió ciertos mecanismos de adaptación para mantener su medio interno estable antes los cambios. La homeostasis es la capacidad de mantener un medio interno constante en respuesta a un cambio ambiente externo. Aquellas formas de vida que lograron la homeostasis, sobrevivieron; las que no, perecieron. 

Ahora sabemos que los sistemas nervioso y hormonal resultan determinantes en el mantenimiento del equilibrio homeostático o estados estacionarios. Para manterner la homeostasis, que incluye la temperatura corporal, los niveles de azúcar en sangre y el pH de la sangre y de los fluidos corporales, el cuerpo recurre a sistemas de retroalimentación negativa por los cuales responde a un cambio en la dirección opuesta. 

Charles Darwin

Los pinzones de Darwin, del género Geospiza

Teoría de la selección natural de Darwin (1859)

Charles Darwin elaboró El origen de las especies por medio de la selección natural a lo largo de más de 20 años basándose en distintas fuentes y observaciones que integró de forma genial. A bordo del HMS Beagle, leyó Principios de Geología, obra en que Charles Lyell planteaba que los fósiles incrustados en la roca eran huellas de seres que vivieron millones de años atrás y que ya no habitaban la Tierra ni se parecían a los animales actuales. Darwin tuvo en cuenta el ensayo de Thomas Malthus en donde se postulaba que la tasa de crecimiento de la población estaba excediendo el suministro de alimentos y que, si no se controlaba, las consecuencias serían catastróficas. También tuvo en cuenta la práctica de granjeros que seleccionaban el mejor ganado para reproducirlo entre sí (selección artificial). Los 14 pinzones que Darwin halló en las islas Galápagos se parecían en todos los aspectos excepto en el tamaño y la forma del pico, que se adaptaba a los alimentos disponible en las distintas islas.

La teoría de Darwin basada en la selección natural explica que la distintas especies compiten entre sí por recursos limitados. Los seres vivos que tienen los rasgos más favorables y que mejor se adaptan al entorno tienen más probabilidades de sobrevivir, reproducirse y transmitir dichos rasgos a su descendencia. Por eso, a lo largo de múltiples generaciones, especies surgidas de un ancestro común "descienden con modificaciones".  En 1858 Darwin se enteró que un colega naturalista, Alfred Russel Wallace, había desarrollado por su cuenta una teoría de la selección natural sorprendentemente similar a la suya, y se apresuró a terminar su propio libro, Origen de la especies, que apareció en 1859.

La depredación, un ejemplo de interacción beneficiosa para una especie y perjudicial para la otra

Ejemplo de comensalismo

Los líquenes, un buen ejemplo de interacción mutualista

Interacciones ecológicas (1859)

La ecología examina las relaciones entre los seres vivos y su entorno, y no es de extrañar que los vínculos entre especies que comparten un mismo ecosistema afecten a unas y otras. En un extremo, la naturaleza de la interacción puede beneficiar a una especie a expensas de otra; en el otro extremo, cada especie puede beneficiarse de la interacción. 

La depredación (planta carnívora vs insecto o búho vs ratón) y el parasitismo (parásitos intracelulares como protozoos o bacterias) son situaciones en las que solo una especie se beneficia de la interacción, mientras que la otra especie sale perjudicada. 

En el comensalismo, una especie se beneficia de la otra, pero esta no sufre efectos adversos (la rémora que se alimenta de restos de comida de los tiburones o un pez pequeño que vive en la cavidad de otro pez para protegerse de los depredadores).

La más equitativas de las interacciones es el mutualismo, en la que cada especie proporciona recursos o servicios a la otra, y ambas obtienen un beneficio. El liquen es una planta que aparece cuando un alga verde vive en simbiosis con un hongo: el hongo obtiene oxígeno e hidratos de carbono del alga, y esta, a su vez, obtiene del hongo agua, dióxido de carbono y sales minerales. 

Un ejemplo de automimetismo o camuflaje con el medio 

La rana punta de flecha, un ejemplo de mimetismo batesiano

Un ejemplo de mimetismo mulleriano

Mimetismo biológico (1862)

En 1862 el explorador y naturalista ingles Henry Bates conjeturó que la coloración de las especies no comestibles advertía a los potenciales depredadores de su mal sabor basándose en la experiencia previa de las aves. También observó que los depredadores evitaban ciertas mariposas sabrosas que guardaban un gran parecido con las de sabor desagradable. Ahora esto se conoce como mimetismo batesiano. 

En 1878 el zoólogo alemán Fritz Muller observó que dos especies de mariposas no relacionadas y de sabor desagradable tenían patrones de colores similares, y cada una tenía mecanismos de defensa adecuados; al parecer, una excepción al mimetismo batesiano. Pero una vez que un depredador había aprendido a evitar a una mariposa con un patrón de color, evitaría todas las demás especies cuyo patrón fuera similar (mimetismo mulleriano). Los animales que exhiben cierto aposematismo transmiten a los potenciales depredadores una señal (un color, sonido, olor o sabor llamativo) para advertir de que cuentan con un mecanismo de defensa secundario y más potente, como en el caso de la rana venenosa de colores brillantes o la mofeta. Algunas plantas, como las orquídeas, imitan a las abejas y avispas hembra a fin de atraer a los machos para que las polinicen. 

Las leyes de Mendel 

Gregor Mendel

Herencia mendeliana (1866)

En su revolucionaria obra de 1859 Origen de las especies, Charles Darwin propuso una teoría de la evolución basada en la mutación y la selección natural. Pero ni Darwin ni sus contemporáneos podían explicar cómo se heredan los rasgos favorables.  Gregor Mendel, solitario monje agustino que trabajaba en lo huertos de un monasterio en Brno (República Checa), aportó la respuesta a esa cuestión y sentó las bases de la genética. 

Mendel trató de rastrear los rasgos hereditarios en sucesivas generaciones de híbridos. Utilizó guisantes comunes (Pisum sativum) porque eran baratos y fáciles de cultivar en grandes cantidades, y podía controlar su polinización. Además, había múltiples variedades bien distintas en cuanto a color, forma de la semilla y la vaina, y altura de la planta. Mendel descubrió que la descendencia de las plantas cultivadas heredaba formas alternativas del rasgo (por ejemplo, alto o bajo) de cada progenitor. Cuando los rasgos heredados eran diferentes, uno era dominante y se expresaba en lo externo, mientras que el otro era recesivo y se mantenía oculto. Más adelante, Mendel estudió guisantes que diferían en dos rasgos y observó que cada uno se transmite a la descendencia de forma independiente, sin afectar la transmisión de cualquier otro rasgo. 

ADN, el modelo de Watson y Crick

Ácido desoxirribonucleico (ADN) (1869)

En la última década del siglo XIX el bioquímico alemán Albrecht Kossel aisló y describió la "nucleína" y la llamó ácido nucleico. Análisis posteriores revelaron la presencia de cinco bases orgánicas: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) y uracilo (U), que él denominó en conjunto bases de nucleótidos; 

Posteriormente se determinó que, en realidad, había dos ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Phoebus Levene determinó en 1930 que los ácidos nucleicos estaban vinculados a azúcares (desoxirribosa y ribosa) y a un grupo fosfato (llamó a esa combinación nucleótido), pero postuló incorrectamente cómo estaban unidos entre sí. La idea general a finales de la década de 1940 era que el ADN estaba involucrado en el proceso hereditario. Pero su estructura química seguía siendo una incógnita.

El bioquímico austríaco Erwin Chargaff analizó en 1930 las bases químicas del ADN y fue en 1950 cuando descubrió que los diferentes organismos tienen diferentes cantidades de ADN, pero que A y T, así como G y C siempre están presentes en cantidades aproximadamente iguales entre sí. El capítulo final, con los componentes del ADN, la doble hélice, lo escribieron Watson y Crick, aunque habría que atribuirle el descubrimiento a su colaboradora Rosalind Franklin, cuyas imágenes por difracción de rayos X mostraban con claridad que la estructura del ADN era un doble hélice (cristalografía de rayos X, año 1912). 

Diferencias entre selección natural y selección sexual

El dimorfismo, una estrategia de diferenciación sexual. El caso de las aves

Selección sexual (1871)

En El origen del hombre y de la selección en relación al sexo (1871), Darwin intentó aportar evidencias de que todos los seres humanos constituyen una sola especie que descendió de un antepasado simiesco común y se fue desarrollando por la evolución, al igual que otras especies.  Darwin rechazó la teoría de la poligénesis, según la cual las razas humanas derivarían de diferentes linajes, creados por separado, y por tanto unas razas serían inferiores a otras. El apoyó la teoría de la monogénesis, según la cual todos los seres humanos evolucionaron a partir de un origen común y las diferencias entre las razas (el color de piel o el tipo de pelo) son todas superficiales, pues, tomados en conjunto, todos los seres humanos se parecen mucho entre sí.  

Mientras que la fuerza motriz que subyace a la selección natural es la supervivencia, la selección sexual se basa en la necesidad de reproducirse. Darwin previó dos tipos de "luchas sexuales": entre miembros del mismo sexo, cada uno compitiendo por un miembro del sexo opuesto, y entre los miembros del sexo opuesto por atraer a los anteriores. En este último caso, el objeto de atención, por lo general la hembra, selecciona la pareja más deseable. 

El Proyecto Genoma Humano

¿Qué es la epigenética?

Lo innato frente a lo adquirido (1874)

Ciertas características físicas, como el color de los ojos y el grupo sanguíneo, vienen genéticamente determinadas, al igual que la capacidad para entonar o recordar notas musicales. 

En 1874, Francis Galton argumentó que la inteligencia se hereda en buena medida y abogó por la eugenesia para mejorar el patrimonio genético de la población humana.

Lo "innato" es la influencia de nuestra composición genética y afecta mayoritariamente a nuestras características físicas. Lo "adquirido" engloba tanto a las influencias del entorno como la provocada por la atención prenatal, los padres, el resto de la familia, los compañeros y la posición social y económica. Si el entorno no influyera en la determinación de los rasgos y comportamientos individuales, los gemelos idénticos, incluso los criados por separado, serían iguales en todos los aspectos, y no lo son.

Numerosos trastornos habituales (diabetes, enfermedades cardíacas, cáncer, alcoholismo, esquizofrenia, etc) tienen un factor genético, y su aparición puede verse afectada, positiva o negativamente, por influencias tales como la dieta, el ejercicio y el tabaquismo. La epigenética es el estudio de la intersección de esas dos influencias: cómo los estímulos ambientales afectan a la expresión de los genes. Un objeto principal del Proyecto Genoma Humano es identificar aquellos genes que se vinculan con enfermedades y determinar qué factores ambientales pueden contribuir a su aparición.

Meiosis

Haploide Vs Diploide

Algunos conceptos: ADN, cromatina, alelos, locus, cromosomas

Meiosis (1876)

La meiosis, que se desarrolló hace 1400 millones de años en eucariontes, reduce el número de cromosomas necesarios para la reproducción sexual y contribuye a la variación genética, lo cual conduce al proceso de evolución. August Weismann descubrió que la meiosis requería dos ciclos de división celular si el número de cromosomas se mantenía estable. La palabra meiosis (del griego, "disminución") hace referencia a que el número de cromosomas de las células hijas se reduce a la mitad tras la reproducción sexual.

En la reproducción asexual, que ocurre en procariontes (bacterias) y algunos eucariontes, el organismo simplemente se divide, por lo que la descendencia resultante es una réplica genética exacta de su único progenitor, del cual hereda los puntos fuertes y débiles; si no se produce una mutación, no puede evolucionar. En la reproducción sexual, en cambio, la que se da en la mayoría de los eucariontes, cada progenitor aporta genes. El genoma de una célula germinal diploide, compuesta de ADN empaquetado en un cromosoma, se somete a la replicación del ADN, a la que siguen dos rondas de división (proceso de división y reducción llamado meiosis), y de ello resultan dos células haploides llamadas gametos. Durante la fecundación, cada gameto, que contiene un juego completo de cromosomas, se fusiona con un gameto del sexo opuesto para formar una nueva célula diploide o cigoto.

Como resultado directo del proceso de intercambio (crossing - over) durante la meiosis, hay una recombinación de genes, con una codificación de los alelos (formas alternativas de cada gen). La descendencia resultante tiene una combinación única de genes aportados por los progenitores que es genéticamente diferente de cualquiera de ellos. Esa diversidad genética ofrece la oportunidad de que actúe la selección natural. La selección natural es la base de la evolución y permite a los organismos hacer frente a las exigencias asociadas al entorno. 

Estructura de la triosafosfato isomerasa, involucrada en el proceso de transformación de azúcar en energía en las células

¿Qué son las enzimas?

Cinética enzimática y ecuación de Michaelis Menten

Enzimas (1878)

La vida no puede existir sin enzimas. En las células vivas se producen miles de reacciones químicas: las células viejas van siendo reemplazadas por otras nuevas; las moléculas simples se unen para formar otras más complejas; la comida se digiere y se convierte en energía; los materiales de desecho se eliminan; y las células se reproducen. Esas reacciones, que implican generación y descomposición, se denominan colectivamente metabolismo, y para que se produzcan hace falta un cierto grado de energía (energía de activación),  en caso de no disponerse de esa energía, no se producirían de manera espontánea. La presencia de enzimas (por lo general proteínas o, en algunos casos, enzimas de ARN) reduce la cantidad de energía de activación requerida para desencadenar dichas reacciones y acelera la velocidad de reacción hasta millones de veces. En el proceso, las enzimas ni se consumen ni cambian químicamente (catalizadores biológicos). 

Cada una de las reacciones químicas del cuerpo constituye un componente de una ruta o ciclo, y la mayoría de las enzimas son altamente específicas y actúan sobre un único sustrato (reactivo) de la ruta para generar un producto de la secuencia metabólica. La mayoría de las más de 4000 enzimas de las células vivas son proteínas, con una configuración tridimensional única cuya forma explica su especificidad. Para nombrar una enzima se suele añadir el sufijo -asa a la raíz nominal del sustrato sobre el que actúa, aunque en la literatura más orientada a la química se usan nombres más específicos y descriptivos.

División celular: mitosis

Mitosis al microscopio

Mitosis (1882)

En 1879 el anatomista alemán Walther Flemming desarrolló y utilizó un tinte de anilina para visualizar la estructura del núcleo y observó una masa enrollada de material filiforme, que llamó cromatina. Observó que aquellos hilos emparejados (cromosomas) se dividían longitudinalmente en dos mitades, y que cada mitad desapareada del hilo se dirigía hacia el lado opuesto de la célula. A ese proceso de división cromosómica lo llamó mitosis. Científicos posteriores descubrieron que, inmediatamente después de la mitosis, la célula madre se divide en dos células hijas, cada una idéntica en contenido celular a la madre, en un proceso llamado citocinesis. 

Los descubrimientos de Flemming y Mendel no fueron valorados hasta principios de la década de 1900, cuando se reconoció que los genes son la unidad funcional de la herencia. La mitosis es uno de los procesos biológicos fundamentales en todos los organismos vivos: el número de células aumenta y el organismo crece por mitosis, el proceso por el cual se reproducen los organismos unicelulares. La mitosis repara las células y los tejidos dañados o desgastados. Los errores de la mitosis pueden resultar en cáncer. 

Órganos involucrados en el sistema inmunológico

¿Qué es el sistema inmunológico?

Órganos y células del sistema inmunitario

Inmunidad innata (1882)

La inmunidad innata es una respuesta rápida y no específica que no requiere de la exposición previa al organismo o célula extraños y utiliza varios modos de defensa: la primera línea de respuesta a los microbios causantes de enfermedades es la presencia de barreras anatómicas o físicas, como la piel, el moco o las células de los sistemas respiratorio y gastrointestinal. La fagocitosis es la tarea que realizan los neutrófilos, glóbulos blancos (leucocitos) de la sangre de los mamíferos, y los macrófagos de los tejidos. Las sustancias químicas liberadas en el lugar de la lesión activan una respuesta inflamatoria, de tal modo que cercan y evitan la propagación de la infección. A continuación, un sistema complementario (en el que se activan y movilizan más de 30 proteínas como el interferón y las células NK - Natural Killer) destruye y elimina a los invasores. 

Tanto la inmunidad innata como la adaptativa (esta última está presente solo en los vertebrados y se activa si antes ha habido exposición al microbio o la célula) se basan en la premisa de que el animal invadido distingue sus propias células de las que le son ajenas (no propias). En la inmunidad innata, la detección de lo no propio viene indicada por la presencia de moléculas de reconocimiento de patrones que están presentes en los microbios extraños, pero no en los animales. La identificación de esas moléculas desencadena el abanico de respuestas inmunes. 

Variación de la temperatura en esta última década. Los colores rojos oscuros indican las zonas donde ha producido un mayor incremento 

El cambio climático. Documental de National Geographic

Consecuencias del cambio climático

Calentamiento global (1896)

El concepto de efecto invernadero, que subyace al calentamiento global, evolucionó de una serie de observaciones que se remontan a principios del siglo XIX. En el año 1859, John Tyndall descubrió que el vapor de agua y el dióxido de carbono de la atmósfera eran los encargados de retener el calor. En 1896 Svante Arrhenius observó una relación cuantitativa entre la concentración de dióxido de carbono atmosférico y la temperatura media de la superficie de la Tierra. 

De manera casi unánime, la comunidad científica ha atribuido el incremento de la temperatura a un aumento de los gases de efecto invernadero (GEI). Los principales GEI son el vapor de agua y el dióxido de carbono, y la actividad humana genera la mayor parte de éste último. Las fuentes de este gas son los combustibles fósiles usados por los automóviles y las fábricas, y para la producción de electricidad. La deforestación tampoco ayuda. El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) prevé un aumento medio de la temperatura global de entre 1,1 y 2,9 grados centígrados durante este siglo, y algo más extremo en el Ártico, lo que causará la fusión de los glaciares. Otras consecuencias del calentamiento global son: un clima más extremo )olas de calor, sequías, lluvias intensas), menor rendimiento de los cultivos, cambios en los patrones migratorios de los animales, reducción de la biodiversidad y extinción de especies animales y vegetales.

El IPCC y prácticamente todas la instituciones científicas nacionales coinciden en que tanto la temperatura de la superficie de la Tierra como la velocidad de calentamiento de la atmósfera y los mares se ha incrementado más rápido en las últimas décadas. 

Cepa betacoronavirus (CoVID-19)

Estructura de dos tipos de virus: el primero un virus bacteriófago y el segundo uno circular

Características y tipos de virus

Generalidades de los virus

Virus (1898)

La planta del tabaco fue importada a Europa desde el Nuevo Mundo a lo largo del siglo XVI, y a mediados del siglo XIX constituía un importante cultivo en Holanda. En 1879 los holandeses pidieron a Adolf Mayer que investigara una enfermedad que atrofiaba el crecimiento de la planta del tabaco y moteaba sus hojas. Mayer la llamó enfermedad del mosaico del tabaco y, para estudiarla, contagió plantas sanas frotándolas con savia de las infectadas. 

Unos años después, en 1898, Dimitri Ivanovski y Martinus Beijerinck llegaron a la conclusión de que, fuera lo que fuese lo que causaba la enfermedad, pasaba a través de un filtro de porcelana fina, por lo que tenía que ser más pequeño que una bacteria. Pero, si bien aquello era capaz de reproducirse en plantas vivas, no lo hacía en las recolectadas; Martinus lo llamó virus (que en latín significa "veneno"). En las tres primeras décadas del siglo XX los investigadores cultivaron virus en suspensiones de tejidos animales, y en 1931, en huevos de gallina fertilizados, lo cual resultó muy valioso para la investigación y elaboración de vacunas. 

A continuación se estudió la estructura y la química de los virus. En 1931, el microscopio electrónico, recién inventado por Ernst Ruska y Max Knoll, les permitió fotografiar un virus. Cuatro años más tarde el bioquímico estadounidense Wendell Stanley cristalizó y describió la estructura molecular del virus del mosaico del tabaco, el primero descubierto. 

Stanley descubrió que los virus comparten propiedades de la materia viva y de la no viva: cuando no están en contacto con células vivas, están latentes y no son nada más que una sustancia química. Los virus son ácidos nucleicos (ADN o ARN) rodeados de una capa proteica. Sin embargo, cuando entran en contacto con una planta o con una célula animal viva adecuadas, se activan y se reproducen. En realidad, se mueven en una zona gris, entre las formas de vida y las sustancias químicas. 

Los virus bacteriófagos ("devorador de bacterias", descubiertos en 1917) se unen selectivamente a uno o varios huéspedes bacterianos y los matan por lisis (destrucción por ruptura). Aunque su número disminuyó en la década de 1940 tras la introducción de los antibióticos. 

Ejemplo de una sucesión primaria

Sucesión ecológica secundaria tras un incendio

Causas y ejemplos de la sucesión ecológica

Chandler Cowles, uno de los principales referentes de la ecología

Sucesión ecológica (1899)

En 1825 el naturalista francés Adolphe Dureau de la Malle acuñó el término sucesión ecológica para describir el crecimiento de la vegetación tas la tala de un bosque. Chandler Cowles se convirtió en 1899 en un primer referente en el emergente estudio de la ecología y escribió sobre la sucesión ecológica como la historia del ecosistema desde su nacimiento hasta su vencimiento: en la comunidad de especies se producen cambios; con el tiempo, unas especies de vuelven menos abundantes y son reemplazadas por otras más abundantes.

Frederic Clements (contemporáneo de Cowles), en 1916, propuso que la vegetación cambia gradualmente con el tiempo en una secuencia de etapas previsibles y deterministas (que comparó con el desarrollo de un organismo individual) hacia una etapa culminante de madurez. 

La sucesión primaria  se refiere a aquellas comunidades vegetales que ocupan lugares que antes carecían de vegetación, por ejemplo, superficies arenosas, rocosas o recubiertas de lava. Los primeros signos de vegetación incluyen líquenes y hierbas (plantas pioneras), que requieren pocos nutrientes y utilizan los minerales de las superficies rocosas para sobrevivir. Les siguen pequeños arbustos , árboles y, más tarde, animales en la etapa clímax, lo cual forma un ecosistema completamente funcional. La sucesión secundaria, en cambio, tiene lugar en un área que ha sufrido una alteración importante o la eliminación de una comunidad vegetal preexistente a raíz de un incendio, una inundación, un huracán o factores humanos como la tala o las actividades agrícolas. La sucesión secundaria avanza mucho más rápidamente hasta la etapa clímax. Cowles denominó "series" a esas etapas intermedias que avanzan hacia la comunidad clímax. A medida que crece, cada nueva especie vegetal modifica el hábitat para permitir y facilitar el desarrollo de las especies siguientes.