Biología por George h. Fried - muestra HTML

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BIOLOGÍA

BIOLOGÍA

GEORGE H. FRIED. Ph . D.

Biól. RAMÓN ELIZONDO MATA

Facultad de Ciencias UKAM

Revisión técnica:

Dr. en C. AVEDIS AZNAVURIAN

Facultad de Ciencias, UNAM

Profesor titular "C" de tiempo completo

UAM, Unidad Xochimilco

McGRAW-HILL

MÉXICO · BOGOTÁ · BUENOS AIRES · CARACAS · GUATEMALA · LISBOA

MADRID · NUEVA YORK · PANAMÁ · SAN JUAN · SANTIAGO · SAO PAOLO

AUCKLAND · HAMBURGO · LONDRES · MILÁN · MONTREAL · NUEVA DELHI

PARÍS · SAN FRANCISCO · SINGAPUR · ST. LOUIS

SIDNEY TOKIO · TORONTO

GEORGE A. FRIED es profesor de biología del Brooklyn College. Obtuvo su licenciatura en

el propio Brooklyn College, en tanto que la maestría y el doctorado le fueron concedidos por la University of Tennessee en Knoxville. Su principal interés como investigador han sido los aspectos metabólicos de la fisiología comparativa y los factores enzimáticos que intervienen en las obesidades genética y experimental. Fungió de 1983 a 1987 como coordinador del

Departamento de Biología del Brooklyn College. Ha impartido cursos de biología general y fisiología animal; asimismo, ha creado a través de 30 años de labor docente su propio curso

de sociobiología.

BIOLOGÍA

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,

por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 1990, respecto a la primera edición por

McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. DE C.V.

Atlacomulco 499-501, Fracc. Ind. San Andrés Atoto

53500 Naucalpan de Juárez, Edo. de México

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 1890

ISBN 968-422-705-1

Traducido de la sexta edición en inglés de

SCHAUM'S GENERAL BIOLOGY

Copyright © MCMXC, by McGraw-Hill, Inc., U.S.A.

ISBN 0-07-022401-3

1234567890 G.F.-90 9123456780

Impreso en México

Printed in México

Esta obra se terminó de

imprimir en septiembre de 1990

en Gráfica Futura 2000

Calle 28 No. 90

Col. Federal

Delegación Venustiano Carranza

15700, México, D.F.

Se tiraron 11 000 ejemplares

A mi esposa Lillian agradeciéndole su paciencia

y también a Sylvia, Ellen y Judy

Contenido

Capítulo 1

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA CIENCIA........................................................................ 1

Los métodos de la ciencia. La biología como ciencia. Importancia de la evolución.

Organización de la vida.

Capítulo 2

LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA........................................... 10

Átomos, moléculas y enlaces químicos. Las reacciones químicas y el concepto de equilibrio.

Propiedades coligativas de las soluciones. Las leyes de la termodinámica. El caso especial

del agua. Mantenimiento de un pH estable en los sistemas vivos.

Capítulo 3

LA QUÍMICA DE LA VIDA: NIVEL ORGÁNICO ............................................................ 26

Introducción. Carbohidratos. Proteínas, Estructura y funciones de los lípidos. Las bases

químicas de los sistemas vivos.

Capítulo 4

ORGANIZACIÓN CELULAR DE LA VIDA .................................................................... 37

La teoría celular. Organización celular. Organelos celulares. Células vegetales y animales:

organización tisular. Dimensiones celulares y sus limitaciones. Movimiento hacia el

interior y el exterior de la célula.

Capítulo 5

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA ................................................................ 55

Energía y vida. Termodinámica. Metabolismo celular. Bioenergética.

Capítulo 6 FOTOSÍNTESIS: LA REACCIÓN FUNDAMENTAL DE CAPTACIÓN DE

ENERGÍA DEL MUNDO VIVO...................................................................................... 75

Repaso general. La fase lumínica. La fase oscura (ciclo de Calvin-Benson).

Fotorrespiración. La vía C4. Estructura y funciones del cloroplasto.

Capítulo 7 LA NATURALEZA DEL GEN ................................................................................... 87

El concepto del procesamiento de información en la célula. En busca de las bases químicas

de la herencia. Codificación de la información- el lenguaje del gen. Procesamiento de la

información: síntesis de proteínas. Reproducción de la información: replicación del DNA.

Modificación de la información: mutación. Ingeniería genética.

Capítulo 8

REPRODUCCIÓN CELULAR ................................................................................. 104

Ciclos celulares y ciclos de vida. Los cromosomas como genes empacados. Mitosis.

Meiosis. Un posible mecanismo de entrecruzamiento. Reproducción sexual y variabilidad

genética.

CONTENIDO

Capítulo 9 EL MECANISMO DE LA HERENCIA ...................................................................... 118

Conceptos premendelianos. Leyes de Mendel. Ligadura. Mapeo de los cromosomas.

Ligadura al sexo. Variaciones en la expresión génica. Cromosomas y expresión génica.

Tratamiento de las enfermedades genéticas.

Capítulo 10 MECANISMOS DE CONTROL EN GENÉTICA ...................................................... 132

La hipótesis del operón. Cistrón, recón y mutón. Regulación génica en los eucariotes.

El cáncer como aberración genética.

Capítulo 11 DESARROLLO........................................................................................................ 143

Desarrollo animal. Desarrollo humano. Desarrollo las plantas. Control de la diferenciación.

Principales descubrimientos en el campo de la embriología.

Capítulo 12 REPRODUCCIÓN ANIMAL .................................................................................... 159

Repaso evolutivo. Aparato reproductor del varón. Aparato reproductor de la mujer.

Respuesta sexual humana. Anticoncepción. Preferencia sexual. Disfunción sexual.

Capítulo 13 ESTRUCTURA BÁSICA Y FUNCIONAMIENTO DE LAS

PLANTAS VASCULARES......................................................................................... 171

Nutrición vegetal. Movimiento de agua y minerales en el xilema. Transporte de sustancias

alimenticias a través del floema.

Capítulo 14 INTERACCIONES DE LAS PLANTAS VASCULARES CON

SU AMBIENTE ...........................................................................................................186

Tropismos. Hormonas vegetales. Fotoperiodicidad. Enfermedades de las plantas.

Capítulo 15 HOMEOSTASIS .....................................................................................................196

Repaso. Control por retroalimentación. Regulación de la temperatura. Regulación

del azúcar en la sangre.

Capítulo 16 NUTRICIÓN ANIMAL ............................................................................................206

Obtención de alimento. Digestión y absorción. El hígado de los vertebrados. Dieta y salud. El

caso especial de las vitaminas. Obesidad y trastornos dietéticos. Enfermedades por

deficiencia.

Capítulo 17 LA CIRCULACIÓN Y LA SANGRE .........................................................................225

Sistemas cardiovasculares comparados de los vertebrados. El corazón humano.

Arterias, venas y capilares. Control de la presión arterial. Constituyentes de la sangre

y la linfa. Osmorregulación.

CONTENIDO

Capítulo 18 INMUNOLOGÍA ..................................................................................................... 240

Sistemas inmunes humanos. La respuesta inmune. Hibridomas. SIDA. Grupos

sanguíneos humanos.

Capítulo 19 INTERCAMBIO GASEOSO ................................................................................... 250

Mecanismos de respiración externa. Respiración en los mamíferos. Regulación de la

respiración externa, intercambio de O2 y CO2 en la sangre.

Capítulo 20 EXCRECIÓN ............................................................................................................. 261

Excreción en tos invertebrados. Estructura del riñón de los vertebrados.

Funcionamiento del riñón de los vertebrados. Funcionamiento del riñón humano.

Funciones homeostáticas del riñón. Estructuras excretorias secundarias.

Capítulo 21 HORMONAS Y CONTROL QUÍMICO ...................................................................... 273

Sistemas endocrinos primitivos. Sistemas endocrinos de los vertebrados. Mecanismo

de acción de las hormonas.

Capítulo 22 EL SISTEMA NERVIOSO ...................................................................................... 289

Repaso. Desarrollo filogenético del sistema nervioso. La neurona como unidad funcional de

la actividad nerviosa. El impulso neural. La sinapsis. El arco reflejo. Receptores y efectores.

Órganos sensoriales especiales. Encéfalo y médula espinal. Sistema nervioso autónomo.

Capítulo 23 EL SISTEMA MUSCULOESQUELÉTICO: SOSTÉN Y MOVIMIENTO .................... 307

Sistemas de sostén de los invertebrados. El endosesqueleto de los vertebrados.

Anatomía y fisiología del músculo de los vertebrados.

Capítulo 24 CONDUCTA ANIMAL ............................................................................................. 317

¿Qué es la conducta? Componentes de la conducta. Patrones conductuales cíclicos.

Conducta sexual. Organización social. Mecanismos de comunicación. Determinismo

biológico y conducta.

Capítulo 25 EVOLUCIÓN: EL PROCESO..................................................................................... 329

Breve historia del concepto de cambio de los organismos. Concepto de poza génica:

equilibrio de Hardy-Wienberg. Selección natural: una síntesis moderna. Equilibrio de punto.

Biología molecular del cambio evolutivo. Control de las pozas génicas. Especiación. La

microevolución comparada con la macroevolución.

Capítulo 26 ECOLOGÍA ............................................................................................................... 341

Anatomía de un ecosistema. Tipos de ecosistemas. Estabilidad y sucesión ecológicas.

Biomasa y dispersión de las especies. Alteración de la estabilidad de un ecosistema.

CONTENIDO

Capítulo 27 ORIGEN DE LA VIDA ............................................................................................ 354

La hipótesis de Oparin. Del heterotrofismo al autotrofismo. El origen de las células.

Capítulo 28 EL REINO MONERA.................................................................................................. 360

Arquebacterias y eubacterias. La importancia y el origen de los organelos. Bacterias, la

ecósferay las interacciones humanas.

Capítulo 29 EL REINO PROTISTA ......................................................................................... 365

Protozoarios. Protistas algáceos. Protistas micoides.

Capítulo 30 EL REINO FUNGI .................................................................................................. 375

Estructura básica de los hongos. Divisiones de hongos. Estrategias reproductivas

de los hongos. Los hongos como amigos y como enemigos.

Capítulo 31 EL REINO PLANTAE ............................................................................................ 383

Las briofitas y el reto del medio terrestre. Las plantas vasculares. Plantas con semilla.

Importancia económica de las plantas. La revolución verde.

Capítulo 32 EL REINO ANIMALIA ............................................................................................ 393

Subreino Parazoa: las esponjas. Radiata: Cnidaria y Ctenophora. Bilateria:

Deuterostomados y protostomados. Acelomados. Seudocelomados: Rotifera y Nematoda.

Celomados protostomados. Celomados deuterostomados.

Capítulo 33 LOS PRIMATES ..................................................................................................... 411

Linajes de los primates. Características de los primates. La humanidad y su destino.

Errores de interpretación de la relación evolutiva entre el ser humano y los simios.

ÍNDICE ANALÍTICO ........................................................................................................................ 419

Prefacio

La biología ha sufrido cambios muy importantes a partir del momento en que los descu-

brimientos clave de Watson y Crick marcaron el comienzo de la era de la biología molecular (1953). Los aspectos más descriptivos de ese campo, asociados de mucho tiempo atrás con el viejo concepto de la biología como historia natural, han sido complementados por descubrimientos resultantes de investigaciones que nos han permitido comprender la vida en términos de las características precisas de macromoléculas como el DNA, el RNA y las proteínas. En

gran medida, muchos de los avances en las áreas de genética, desarrollo, control del funcionamiento celular y hasta evolución, se deben a la aplicación de los conocimientos de biología molecular.

Sin embargo, para poder apreciar verdaderamente el drama de la vida, cuya diversidad y

magnitud están en constante evolución, es necesario tener cierta idea del tiempo y poder evaluar meticulosos detalles descriptivos. El estudio de estos aspectos descriptivos e históricos al mismo tiempo que se dilucidan por completo los enfoques bioquímico y molecular representa, desde luego, un reto impresionante para cualquier persona que emprenda la elaboración de un tratado conciso de biología moderna. Uno de los objetivos de la presente obra ha sido, precisamente, el mantenimiento de ese equilibrio

En el formato más general, en cada capítulo se resume en forma independiente el mate-

rial que corresponde al tema principal; a esto sigue una serie de problemas resueltos cuya finalidad es profundizar un poco más en el tema y brindar al lector una oportunidad para aclarar puntos que no haya comprendido del todo. Con los 33 capítulos de esta obra se cubren todos los temas importantes de un curso de biología a nivel introductorio.

Aunque este libro puede servir como obra básica para un curso de biología al nivel de

preparatoria, su principal utilidad es como obra complementaria que permite al estudiante mejorar su comprensión del tema y afianzar sus logros. Al redactar las soluciones de los problemas, ubicadas en la última sección de cada capítulo, mis principales objetivos fueron la claridad y la importancia del manejo de los conceptos fundamentales. Muchos de los problemas que

aparecen en este libro son resultado de situaciones reales ocurridas en el salón de clases.

La relevancia de la biología es evidente. El simple hecho de que el ser humano esté vivo

resalta la estrecha relación entre esta disciplina y los quehaceres cotidianos. Espero que el material recopilado en esta obra permita al lector comprender mejor la vida e inspere en él cierta emoción y respeto por ella, volviéndolo un ciudadano consciente y cuidadoso con su ambiente.

Deseo expresar my agradecimiento a Elizabeth Zayatz, quien desempeñó un papel muy

importante al alentarme y depurar mi escrito original bajo la luz de sus excelentes conocimientos editoriales. También debo las gracias a Meg Tobin, quien me orientó a través de los últimos pasos de elaboración del original. Con todo, mi mayor deuda es hacia las generaciones de estudiantes que han compartido conmigo la aventura de buscar el conocimiento.

GEORGE H. FRIED

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Estructura básica

de la ciencia

1.1 LOS MÉTODOS DE LA CIENCIA

La ciencia es un sistema organizado para el estudio rigu-

roso del mundo natural. Consiste en la aplicación del

Una hipótesis debe ser lógica y comprobable. Aun-

método científico a problemas formulados por mentes

que la conclusión del ejemplo 1 demuestra el uso de la

expertas en ciertas disciplinas. Quizá los científicos se

lógica inductiva, dicha conclusión no es comprobable y,

interesen en diferentes aspectos de la naturaleza, pero

según lo antes afirmado, es inútil como hipótesis científi-

todos usan el mismo enfoque intelectual para conducir

ca. La lógica deductiva, en la que el proceso de pensa-

sus investigaciones.

miento va de lo general a lo específico, se emplea a fin

Antes que todo, los científicos deben plantear un

de identificar las hipótesis que sí son comprobables. Para

problema para el que luego buscarán respuesta. Por lo

ello es frecuente el uso del enunciado "si..., entonces ..."

general, dicha respuesta incluye una explicación relacio-

nada con e! orden o los procesos naturales. El científico

EJEMPLO 2 La conclusión del ejemplo anterior se puede

tiene como interés primordial los mecanismos de funcio-

replantear de este modo: si las aves de cierta especie (es

namiento del mundo natural y no las interrogantes en

decir, aves capaces de entrecruzarse y producir crías via-

cuanto a la finalidad suprema de éstos.

bles) exhiben distinta coloración, entonces las más coloridas

Una vez planteada la interrogante, el científico bus-

son los machos.*

ca respuestas mediante la recabación de datos pertinen-

tes al problema. Esa información, que puede ser

Una vez planteada una hipótesis con la que se pue-

observaciones, mediciones, conteos y una revisión de

de trabajar, lo siguiente es ponerla a prueba efectuando

documentos históricos, se estudia cuidadosamente para

experimentos y recopilando más información con la que,

encontrar sus regularidades y relaciones.

finalmente, se apoyará o refutará tal hipótesis. Nota: la

Luego se formula una suposición congruente llama-

aplicación del método científico puede servir para recha-

da hipótesis, con la que los datos quedan delimitados

zar una hipótesis, pero en ninguna circunstancia puede

por un marco conceptual. Para el planteamiento de la hi-

probar algo de modo absoluto. Por consiguiente, una hi-

pótesis se recurre a la lógica inductiva. Esta última es

pótesis que hoy día soporta los embates de las pruebas

un proceso de razonamiento que empieza normalmente

quizá tenga que ser modificada mañana bajo el peso de

con fragmentos específicos (o individuales) de informa-

nuevas evidencias.

ción y de los cuales se deduce una premisa general (o

Un experimento debe estructurarse de tal modo

universal).

que la información recabada esté exenta de parcialidades

y errores de muestreo. Por tanto, la validez del experi-

EJEMPL01 Una persona se aficiona a la observación

mento depende de una cuidadosa selección de los orga-

de aves, lo que le da la oportunidad de fijarse en las parejas

nismos que integrarán los grupos control y experimental,

de muchos tipos de ellas. Advierte, una y otra vez, que sólo

de modo que las diferencias en edad, en factores genéti-

el Individuo más pardusco de cada pareja pone huevos. Con

cos, en tratamiento previo, etc. no influyan en los resulta-

base en sus observaciones concluye que todos los machos

de las aves son vistosos y que todas las hembras son par-

dos. También es muy importante que cada grupo tenga

duscas.

un número adecuado de Individuos, ya que en los grupos

pequeños se multiplica el impacto de las peculiaridades

de los integrantes. Lo que es más, un experimento debe

ser reproducible: otros científicos deben poder repetirlo y

obtener los mismos resultados.

* Aunque esta es la regla, en algunas especies de aves con dimorfismo sexual sucede lo contrario.

index-15_1.png

2 BIOLOGÍA

mecanlclsta, los mejores resultados de los biólogos en

EJEMPLO 3 Un científico desea saber si la incorporación

cuanto al conocimiento de la vida se han logrado concen-

de harina de hueso al alimento del ganado vacuno mejorará

trándose en los procesos que implican transformaciones

el crecimiento de éste. Con base en las demostraciones pre-

de materia y energía. Así, un ser vivo puede definirse

vias de efectos nutricionales benéficos de la harina de hueso

en otros animales, plantea la hipótesis de que al añadirla al

como una unidad compleja de materiales fisicoquímicos,

alimento de los vacunos éstos crecerán más rápido. (Nota:

capaz de realizar los fenómenos de autorregulación, me-

dada la imposibilidad de examinar todos los vacunos que

tabolismo y reproducción. Además, un organismo vivo

han existido, jamás se podrá demostrar en forma absoluta

exhibe las capacidades de interactuar con su medio, de

esta afirmación general.)

crecer, de moverse y de adaptarse.

Para probar la hipótesis, el científico dispone dos gru-

Como a los biólogos no les alcanzaría la vida para

pos comparables de ganado. Al grupo experimental se le

estudiar en su totalidad el mundo biológico, lo que hacen

proporciona harina de hueso además de los otros nutrimen-

es dividir la inmensidad de ese mundo en muchos tipos

tos necesarios para su crecimiento, mientras que al segundo

de organismos y confinar sus investigaciones a un tipo en

grupo, el grupo control, se le da un tratamiento idéntico ex-

cepto la harina de hueso. En un experimento bien diseñado,

particular, o bien dedicarse al estudio de aspectos parti-

las diferencias que aparezcan entre los grupos experimental

culares de varios tipos de organismos y a las interaccio-

y control se deberán al factor que se está probando. En este

nes de estos últimos.

caso la única diferencia entre los dos grupos es la presencia

o ausencia de harina de hueso en el alimento, por lo cual las

EJEMPLO 4 Los entomólogos, especialistas en la bio-

diferencias en sus patrones de crecimiento serán atribuibles

logía de los insectos, dedican sus esfuerzos a entender las

a esa sustancia. SI el grupo experimental manifiesta un me-

diversas facetas de estos animales mas no las de otros tipos

jor desarrollo al compararlo con el grupo control, los resulta-

de organismos. Por el contrario, los embriólogos o biólo-

dos apoyarán la hipótesis. En caso de que el grupo

gos del desarrollo investigan las características del desa-

experimental no tenga un mejor crecimiento en comparación

rrollo embrionario en muchos tipos de organismos pero no

con el grupo control, la hipótesis será rechazada. Un desa-

se aventuran a investigar en otras áreas.

rrollo inferior en el grupo experimental no sólo serviría para

rechazar la hipótesis, sino que sugeriría un posible efecto

inhibitorio de la harina de hueso sobre el desarrollo del ga-

nado vacuno; tal descubrimiento conduciría a una nueva hi-

Los límites que separan las diferentes áreas de in-

pótesis.

vestigación dividen la biología en sus disciplinas específi-

cas, aunque tales límites se encuentran en constante

Como se aprecia en el ejemplo 3, una vez que ter-

estado de flujo.

minan los experimentos es necesario evaluar los resulta-

dos para ver si se debe aceptar, modificar o rechazar la

hipótesis.

1.3 IMPORTANCIA DE LA EVOLUCIÓN

Cabe recalcar que sólo en raras ocasiones los cien-

tíficos se apegan de manera rígida a un programa esta-

Durante sus investigaciones sobre el mundo vivo, los bió-

blecido. Las hipótesis pueden preceder a la recabación

logos se guían por las teorías que le dan orden a la diver-

de datos o bien la información se acumula y analiza al

sidad de la vida. En la ciencia, teoría es una hipótesis

mismo tiempo que se plantea la hipótesis en vez de ha-

que ha soportado muchas pruebas a través de un largo

cerlo en orden progresivo. Asimismo, aunque los científi-

tiempo (en contraste con el significado que le da el vulgo:

cos son muy inquisitorios y bastante creativos en sus

suposición no comprobada o idea extravagante). El tema

procesos de pensamiento, su curiosidad puede ser ¡imita-

significativo que da unidad a todas las ramas de la biolo-

da por ideas previas, aceptadas mucho tiempo atrás. Las

gía es el concepto de evolución, teoría que postula que

ideas revolucionarias que se apartan de los conceptos

todos los seres vivos tuvieron su origen en formas ances-

establecidos son relativamente raras.

trales de las que se apartaron por modificación continua

a través del tiempo. Evolución conlleva la idea de cambio

y desarrollo. Los patrones de esos cambios se reflejan en

1.2 LA BIOLOGÍA COMO CIENCIA

¡as principales tendencias de investigación en todas las

disciplinas de la biología

Los biólogos aplican los métodos de la ciencia para arri-

La aceptación de la evolución como explicación de

bar a cierto conocimiento de los organismos vivos. En el

la diversidad biológica actual es relativamente reciente.

contexto de la biología resulta útil considerar la vida como

Muchos biólogos respetables de finales del siglo pasado

un fenómeno complejo que puede ser analizado con los

y principios del presente creían a pie juntillas en la fijeza

métodos de la química y la física. Aunque dentro de

de las especies. Incluso al propio Charles Darwin le costó

los sistemas vivientes existen muchos fenómenos que

trabajo aceptar la evolución como una explicación de la

parecen encontrarse fuera del alcance de este enfoque

diversidad de la vida. Un vestigio de esta larga historia de

index-16_1.png

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA CIENCIA 3

explicaciones no dinámicas de la especiación (diferen-

huesudas, con pulgares muy cortos y delgados. Esta anato-

ciación en nuevas especies) es el movimiento creacio-

mía les permite afianzar con facilidad las ramas y colgarse

nlsta contemporáneo.

de ellas, así como arrancar frutos y retoños. Sin embargo, se

Aunque no logró aceptación general sino hasta ha-

les dificulta recoger objetos que estén en una superficie pla-

ce poco, el concepto de evolución no es nuevo; sin em-

na (p. ej., el suelo) y carecen de otras destrezas manuales

(a diferencia de los gorilas y ¡os chimpancés). El ambiente

bargo, la comprensión del mecanismo de cambio

de los gibones no exige estas últimas características para la

evolutivo data apenas de poco más de un siglo. En 1801,

supervivencia.

Jean Baptiste de Lamarck propuso la primera explicación

Puesto que descienden de un ancestro común a todos

global del mecanismo de evolución. Lamarck creía que

los simios, la anatomía de la mano de los gibones evolucio-

un organismo adulto adquiría nuevos caracteres (caracte-

nó gracias a la aparición fortuita de caracteres sobre los cua-

rísticas) en respuesta directa a sus necesidades de su-

les actuaron las presiones de la selección natural de su

pervivencia y que luego los transmitía a su descendencia.

ambiente: las copas de los árboles, un sitio donde la especie

En la actualidad se sabe que la herencia se basa en los

encuentra poca competencia por el alimento y enfrenta po-

genes, de modo que los caracteres adquiridos no pue-

cos amenazas por parte de depredadores.

den pasar a los descendientes. Hoy se cree que el meca-

nismo de evolución fue la selección natural, concepto

esbozado por Charles Darwin en su libro titulado On the

Origin of Species by Means of Natural Selection (Sobre

el origen de las especies por medio de la selección

1.4 ORGANIZACIÓN UE LA VIDA

natural), publicado en 1859. En él presentó una

convincente serie de argumentos en apoyo de la idea de

El estudio de la evolución es particularmente útil para di-

que la evolución es el tema universal de la vida.

vidir los organismos en grupos porque revela cómo esos

Darwin no sólo tuvo la influencia de sus experien-

organismos están emparentados cronológica y morfológi-

cias como naturalista (biólogo) durante el viaje de cinco

camente (es decir, por forma y estructura) entre sí. La

años a bordo de la embarcación exploradora Beagle, sino

clasificación de los organismos se denomina taxonomía.

también la de los descubrimientos de geólogos, econo-

Los taxónomos utilizan las relaciones evolutivas para

mistas y hasta granjeros de su comunidad. La universali-

crear los grupos. Aunque los esquemas de clasificación

dad de la ciencia queda perfectamente ejemplificada con

son por necesidad un tanto arbitrarios, es probable que

el logro conceptual de Darwin.

representen el "árbol genealógico" de las diversas formas

La selección natural favorece la supervivencia de

vivas actuales.

los individuos cuyas características les permiten adaptar-

Cada organismo pertenece a uno de los cinco rei-

se mejor a su ambiente. Hay ligeras variaciones entre los

nos. El reino es la categoría taxonómica más general.

descendientes de todas las especies, lo que los hace un

Esos cinco reinos son: Monera, Protista, Fungi, Plantae y

poco distintos a sus progenitores. Cuando una variación

Animalia. El reino Monera está formado por organismos

no favorece la supervivencia, los individuos que poseen

unicelulares que carecen de núcleo y de muchas de las

esa característica no sobreviven hasta reproducirse o, si

estructuras celulares especializadas llamadas organe-

sobreviven, tienen poca descendencia. Así pues, la

los. Se dice que tales organismos son procariótlcos

variación desfavorable acaba por desaparecer de la po-

(pro = "antes"; karyon = "núcleo") y se trata de las bacte-blación. Por el contrario

rias. Los demás reinos están integrados por seres euca-

: si una variación favorece la su-

pervivencia en determinado ambiente, los individuos que

rlótlcos (eu - "verdadero"), cuyas células contienen

la poseen tienen mayores probabilidades de reproducirse

núcleo y un repertorio más completo de organelos. Los

y, por consiguiente, de transmitir esa característica a sus

eucariotes unicelulares pertenecen al reino Protista, el

descendientes. Con el correr del tiempo, el carácter que

cual abarca los protozoarios y otros protistas vegetaloi-

favorece la supervivencia se vuelve parte de la población

des y fungoides. Los organismos pluricelulares que pro-

general.

ducen su propio alimento están agrupados dentro del

reino Plantae; las flores, los musgos y los árboles son

ejemplos. Los organismos vegetaloides unicelulares y

EJEMPLO 5 Los gibones son simios pequeños que pa-

san casi todo el tiempo en las copas de los árboles; sólo en

pluricelulares que absorben aumento de su medio perte-

raras ocasiones descienden al suelo, de modo que viajan

necen al reino Fungi, el cual incluye las levaduras y los

por braqulación (balanceo de una rama a otra). Se alimen-

mohos. Los organismos pluricelulares que deben captu-

tan del follaje y los frutos que encuentran en las copas de los

rar su alimento y digerirlo internamente se agrupan en el

árboles de su región de origen: el sureste asiático y el archi-

reino Animalia; las serpientes y los seres humanos son

piélago malayo. Las manos de los gibones son largas y

ejemplos.

index-17_1.png

4 BIOLOGÍA

Problemas resueltos

1.1 ¿Qué es la ciencia?

1.4

¿En qué consiste el método inductivo en la cien-

cia?

La ciencia es el estudio sistemático de aspectos par-

ticulares del mundo natural. El alcance de la ciencia

En lógica, Inducción se refiere por lo general a un

se limita a las cosas que pueden ser aprehendi-

movimiento de lo particular a lo general. Así, la crea-

das por los sentidos (vista, tacto, oído, etc.) Por lo

ción de una hipótesis (una generalización) con base

general, la ciencia recomienda un enfoque objetivo

en los particulares (casos específicos) de la informa-

de los fenómenos que estudia. En las interrogantes

ción constituye un salto inductivo dentro del método

planteadas por los científicos respecto a la naturale-

científico. Dado que este proceso inductivo es medu-

za se resalta el cómo suceden las cosas y no el por-

lar para el método, en ocasiones se dice que éste es

qué ocurren.

un método inductivo.

Es de gran interés histórico que Bacon, quien

propuso lo que en la actualidad se conoce como mé-

1.2 ¿Qué es el método científico?

todo científico, tuviera grandes dudas en cuanto al

paso Inductivo del planteamiento de las hipótesis.

En el sentido más amplio, el método científico se re-

Bacon pensaba que, con la acumulación de datos

fiere a los hábitos de trabajo que los científicos po-

suficientes y el establecimiento de una enorme red

nen en práctica conforme su curiosidad los conduce

de museos, las verdades ocultas de la naturaleza se

a la tarea de descubrir las regularidades y las relacio-

revelarían sin necesidad de recurrir a la Inducción.

nes existentes entre los fenómenos objeto de su es-

tudio. Los métodos de la ciencia también pueden ser

1.5

¿Las hipótesis se plantean siempre como suposi-

descritos como una rigurosa aplicación del sentido

ciones verdaderas acerca de un estado de cosas

común al estudio y el análisis de la información. En

real?

un sentido más estricto, el método científico alude al

modelo de Investigación desarrollado por Francis Ba-

Las hipótesis no se plantean para ser siempre verda-

con (1561-1626). Este modelo consta de la siguiente

deras. Al formular su hipótesis el científico busca una

secuencia:

verdad funcional, es decir, una "verdad" que sirva

como explicación de los datos pero que pueda ser

1. Identificación

del

problema

reemplazada o replanteada conforme se descubra

2. Obtención de información relativa al problema

nueva Información, algo así como un montañista que

(por observaciones, mediciones, etc.)

trepa de un punto de apoyo a otro para escalar una

3. Análisis de la información en busca de correla-

cumbre. La hipótesis debe ser compatible con toda la

ciones, conexiones importantes y uniformidades

información disponible y funcionar como explicación

4. Formulación de una hipótesis (una generaliza-

lógica de ésta. No obstante, aunque muchas hipóte-

ción), la cual es una suposición congruente que

sis cumplen estos requisitos parecen contradecir la

explica la información existente y sugiere otras

noción de la verdad dictada por el sentido común.

vías de investigación.

Por ejemplo, se descubrió que la luz exhibe las pro-

5. Evaluación rigurosa de la hipótesis mediante la

piedades de una onda. Después se vio que también

recabación de nueva información.

se comporta como una partícula. ¿Cuál de estos

6. Confirmación, modificación o rechazo de la hipó

descubrimientos es el correcto? Una hipótesis llama-

tesis a la luz de los nuevos descubrimientos.

da teoría cuántica afirma que, en efecto, la luz es al

mismo tiempo una onda y una partícula. Aunque es

probable que esto contradiga el sentido común e in-

1.3 ¿Cuál es la importancia de la hipótesis en el mé-

cluso ponga a prueba la capacidad del ser humano

todo científico?

para construir un modelo de ese fenómeno contra-

dictorio, la teoría cuántica es compatible con los da-

La hipótesis constituye la infraestructura sobre la

tos, los explica y ha sido aceptada de buen grado por

cual se construye el conocimiento científico. También

los físicos.

llamada "suposición congruente", la hipótesis es una

generalización que describe el estado de cosas den-

1.6

¿Qué características tiene una buena hipótesis?

tro de un área de investigación. El planteamiento de

hipótesis productivas es el sello de la imaginación

1. Una hipótesis debe ser compatible con la infor-

científica creativa.

mación previamente obtenida y explicarla.

index-18_1.png

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA CIENCIA

5

2. Una hipótesis debe ser refutable mediante sus

mundo de la ciencia factores subjetivos como la intui-

predicciones; es decir, debe caber la posibilidad

ción y las influencias culturales. Desde la perspectiva

de obtener resultados que permitan demostrar

de esos filósofos, las actitudes y la posibilidad de

claramente si es falsa.

realizar descubrimientos importantes son influidas

por determinada mentalidad colectiva, en la que la

Si varias hipótesis están compitiendo por ser acepta-

ciencia pasa, con avances y retrocesos, de un blo-

das, lo más probable es que la comunidad científica

que de paradigmas (modelos intelectuales) a otro.

apruebe la más sencilla y clara. Al evaluar una hipó-

La opinión común de que los científicos son autóma-

tesis, en la ciencia también se toma en considera-

tas que avanzan de una fase del método científico a

ción, además de la exactitud, la productividad.

la siguiente es sencillamente falsa. La personalidad y

el humanismo de los científicos irán siendo someti-

1.7

¿Cuál es el destino de las hipótesis después de

dos a un escrutinio cada vez más riguroso conforme

su planteamiento?

la sociedad reconozca que el respaldo financiero, los

problemas éticos y las cuestiones de supervivencia

La hipótesis pasa por rigurosas pruebas y quizá sea

son parte de la ecuación de la ciencia moderna.

confirmada por la demostración experimental de sus

predicciones. Las confirmaciones reiteradas elevan

la hipótesis al nivel de teoría. De vez en cuando, se

1.10

¿Cabe esperar que la ciencia resuelva todos los

confirman las principales suposiciones de la hipóte-

misterios y problemas del mundo?

sis, pero es necesario efectuar algunas modificacio-

nes a la luz de nuevas pruebas. Si las hipótesis han

No. La ciencia puede explicar eficazmente la fuerzas

sido confirmadas una y otra vez durante un largo

determinantes de los fenómenos naturales y nos ha

tiempo, es probable que sean elevadas a la catego-

proporcionado el poder de controlar en gran medida

ría de ley, aunque algunos filósofos de la ciencia es-

nuestro ambiente. Sin embargo, la ciencia no discute

tán en desacuerdo con el uso del término "ley

el origen del mundo natural, sino que acepta su exis-

científica". Pero cuando las hipótesis son contradi-

tencia como un hecho dado. Tampoco resuelve la in-

chas sustancialmente por los nuevos descubrimien-

cógnita de por qué el mundo existe tal cual es. Dado

tos, es necesario rechazarlas para dar paso a otras

que las hipótesis son juzgadas por su grado de efi-

nuevas.

ciencia operacional, la ciencia no puede orientarnos

en términos de moralidad, es decir, de lo bueno o lo

1.8

¿Qué factores podrían conducir al planteamiento

malo de ciertos cursos de acción. La ciencia debe

ser vista como un instrumento de conocimiento, mas

de una hipótesis que no soporte pruebas futuras?

no como una guía de acción social.

Las hipótesis se diseñan para explicar sólo lo que se

sabe hasta el momento. Los nuevos descubrimientos

1.11

¿Qué es un organismo vivo?

pueden conducir a una perspectiva más amplia de la

realidad, lo que pone en evidencia las inexactitudes

Un organismo vivo es, básicamente, material físico-

de una hipótesis planteada con anterioridad. Más a

químico que exhibe un alto grado de complejidad,

menudo, el investigador descubre un conjunto de he-

puede autorregularse, posee metabolismo y se per-

chos que no es representativo de la totalidad y fun-

petúa a sí mismo a través del tiempo. Para muchos

damenta su hipótesis en esa muestra pequeña o

biólogos, la vida es una fase arbitraria en la creciente

insuficiente. Tales errores de muestreo pueden

complejidad de la materia, sin una línea divisoria pre-

reducirse al mínimo aplicando las técnicas de esta-

cisa entre lo vivo y lo no vivo.

dística. Asimismo, aunque la ciencia se vanagloria

La sustancia viva está compuesta por un con-

merecidamente de su objetividad y su ausencia bási-

junto perfectamente estructurado de macromolécu-

ca de prejuicios, quizá se introduzca alguna parciali-

las: proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y

dad subjetiva mientras se recaba información o al

polisacáridos, así como por moléculas orgánicas e

poner la hipótesis dentro de un marco de referencia,

inorgánicas más pequeñas. Un organismo vivo ha

lo que puede conducir al investigador a ignorar prue-

desarrollado mecanismos reguladores e Interactúa

bas que no apoyen una noción preconcebida. Tam-

con el medio para mantener su integridad estructural

bién puede haber parcialidad en la tendencia a

y funcional. Todas las reacciones que ocurren den-

adoptar las ideas previamente aceptadas de exper-

tro de una unidad viviente particular constituyen su

tos de prestigio.

metabolismo. En la regulación de dichas reacciones

internas y para la producción de nuevas unidades vi-

1.9

¿El apego al método científico puede explicar por

vientes, estos organismos emplean moléculas espe-

completo el desarrollo de la ciencia moderna?

cíficas que contienen información.

La tecnología actual puede atribuirse en gran

1.12

¿Cuáles son los atributos de los organismos

medida al trabajo de profesionales expertos, segui-

vivos?

dores de los métodos clásicos de la ciencia. Sin em-

bargo, filósofos de la ciencia contemporáneos como

Los organismos vivos exhiben en general las siguien-

Thomas Kühne señalan el papel que han tenido en el

tes características:

index-19_1.png

6 BIOLOGÍA

1. Movimiento: son los movimientos dentro del

estudio de la vida en términos del comportamiento

organismo o los que lo desplazan de un lugar a

de macromoléculas como las proteínas y los ácidos

otro (locomoción)

nucleicos. Y es esta rama biológica la que ha permi-

2. Irritabilidad: es la capacidad de los organis-

tido al ser humano comprender la vida en el nivel

mos para responder de un modo determinado a

molecular e incluso modificar las características here-

los cambios, conocidos como estímulos, en su

ditarias de ciertos organismos para satisfacer las ne-

medio interno y externo

cesidades de la sociedad.

3. Crecimiento: es la posibilidad de que los orga-

nismos incrementen su masa de materia viva por

asimilación de nuevos materiales extraídos del

1.14 ¿Por qué la teoría evolutiva ocupa una posición

medio ambiente

central en la biología?

4. Adaptación: es la tendencia de los organismos

a sufrir cambios en su estructura, en sus funcio-

La variedad y complejidad de la vida requieren de

nes o en su comportamiento que mejoren su ca-

principios organizadores que ayuden a comprender

pacidad de supervivencia en un ambiente

un área de conocimiento tan diversa. La evolución

determinado

es un concepto clave que da coherencia al conoci-

5. Reproducción: es la capacidad de los organis-

miento global de la vida. Este concepto representa

mos para producir nuevos individuos de su mis-

una narrativa que coloca los seres vivos en una pers-

ma especie.

pectiva histórica y explica su diversidad actual. Tam-

bién arroja luz sobre la naturaleza de la interacción

de los organismos entre sí y con el medio externo. La

1.13 ¿Cómo estudian los biólogos a los organismos vi-

clasificación actual de esos organismos se basa casi

por completo en relaciones evolutivas. Incluso los

vos?

descubrimientos de la biología molecular han sido

El amplio panorama de la vida es demasiado com-

enfocados sobre la naturaleza de los cambios evolu-

plejo para ser estudiado en toda su magnitud por un

tivos. En definitiva, la teoría de la evolución es la cla-

solo investigador. El mundo de los seres vivos se

ve para entender la naturaleza dinámica de un

puede estudiar más fácilmente: 1) si los organismos

mundo cambiante de organismos vivos.

se dividen en varios grupos y se estudia esmerada-

mente un solo tipo o 2) si se separan los enfoques

1.15

¿Qué es la evolución?

de investigación y cada persona se especializa en

uno u otro de ellos.

La evolución es una teoría en verificación constante

En la biología se han diseñado sistemas de cla-

que postula que todos los seres vivos descienden de

sificación de los seres vivos que permiten el relativo

organismos ancestrales, con ciertas modificaciones y

aislamiento de uno u otro tipo de organismos para

como resultado de un largo proceso de cambios

una investigación ordenada y organizada. Hace al-

adaptativos. Estos cambios generaron los organis-

gún tiempo, todos los organismos vivos se clasifica-

mos que ya se extinguieron y las diversas formas de

ban en dos grupos fundamentales o reinos: plantas,

vida actuales. Aunque en general se piensa que

objeto de estudio de la botánica, y animales, tema

el ritmo de los cambios evolutivos en la estructura, el

central de la zoología. Actualmente existen razones

funcionamiento y el comportamiento de grupos de or-

para clasificar los seres vivos dentro de cinco reinos.

ganismos es constante cuando se considera a través

Cada uno de éstos se subdivide a su vez en catego-

de largos periodos, hay un apasionado debate en

rías más pequeñas, las cuales proporcionan a las

cuanto al ritmo de cambio a corto plazo. Quizá el rit-

disciplinas particulares su material de estudio. De

mo de cambio no siempre es uniforme, sino que tam-

esta manera, a los biólogos dedicados a estudiar

bién puede darse en rápidas sucesiones; estos

criaturas con pelaje, cuadrúpedas y que amamantan

cambios bruscos se han observado de hecho en al-

a sus crías (mamíferos) se les llama mastozoólo-

gunos organismos.

gos; los que investigan los animales de cuerpo blan-

do y protegidos por una concha son los

malacólogos. El estudio de plantas simples como

1.16

¿Existen alternativas ante la teoría de la evolu-

los musgos corresponde a los briólogos.

ción?

Asimismo, las disciplinas biológicas se diferen-

cian por su manera de estudiar a los seres vivos. Por

Aunque casi todos los biólogos apoyan firmemente

ejemplo, los morfólogos se concentran en la estruc-

dicha teoría, algunas personas ajenas a la materia

tura, mientras que los fisiólogos se dedican al fun-

creen que todas las formas de vida fueron creadas

cionamiento. Los taxónomos están consagrados a

individualmente por un ser sobrenatural y que no

la ciencia de la clasificación y los citólogos estudian

cambian con el tiempo. Esta perspectiva, conocida

las células, que son las unidades básicas de la vida.

como creación especial, es afín a la narración bíbli-

Los ecólogos Investigan la interacción de los orga-

ca del origen y el desarrollo de la vida. En fechas

nismos unos con otros y con su medio externo. Una

más recientes se incorporaron algunos hechos cientí-

rama de la biología relativamente nueva, pero muy

ficos dentro de una teoría más coherente de creacio-

fascinante y productiva, es la biología molecular,

nismo científico, la cual Intenta combinar las

index-20_1.png

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA CIENCIA

7

explicaciones científicas con las bíblicas aseverando

El principal defecto de la teoría de Lamarck es

que la historia de la vida es más larga de lo que las

considerar que los caracteres adquiridos son heredi-

narraciones bíblicas pueden abarcar, pero que a

tarios. Dado el conocimiento actual del control de la

partir de su creación original los organismos vivos

herencia por el aparato genético, sabemos que úni-

exhiben muy pocos cambios. A pesar de que los

camente los cambios en la constitución de los genes

creacionistas científicos han procurado disfrazar

podrían ocasionar alteraciones permanentes en la

los aspectos religiosos de su teoría y exigen la opor-

progenie. Sin embargo, en la época en que Lamarck

tunidad de que sus puntos de vista sean incorpora-

hizo su planteamiento era poco lo que se sabía sobre

dos a los textos de biología, la mayoría de los

el mecanismo de la genética. Incluso Darwin incorpo-

biólogos no aceptan que estos conceptos tengan va-

ró en sus ideas algunos de los puntos de vista lamar-

lidez científica. Hasta la fecha, en los tribunales de

quianos sobre la herencia de los caracteres

Estados Unidos se considera que el creacionismo

adquiridos.

científico es una intromisión religiosa dado que la

La teoría de Lamarck sobre la evolución no se

educación debe ser laica.

debe considerar un mero error conceptual, sino más

bien un paso necesario en la búsqueda de una ma-

yor exactitud en la descripción de un proceso natural.

1.17 ¿Cuál es la diferencia entre evolución y selección

La ciencia avanza con pasos lentos, tentativos, hacia

natural?

una certeza cada vez mayor. Las verdades científi-

cas de hoy se basan en las aventuras intelectuales

La evolución es una teoría científicamente aceptada

de los investigadores de ayer. Dichas aventuras se-

sobre el origen de los organismos actuales, a partir

rían algo así como los hombros sobre los que pue-

de ancestros pasados, a través de un proceso de

den apoyarse otros investigadores para alcanzar

modificaciones graduales. La selección natural es

explicaciones más fructíferas.

una explicación de cómo pudieron haber ocurri-

do dichos cambios, es decir, el mecanismo de la

evolución.

1.19 ¿Cómo explica la teoría de la selección natural el

El concepto de evolución ya existía entre los

proceso de evolución?

atenienses. En el siglo XVIII, el naturalista francés

conde George de Buffon sugirió que las especies su-

La teoría darwiniana del mecanismo de la evolu-

fren cambios y que esto pudo haber coadyuvado a la

ción explica los cambios en los organismos de esta

diversidad de las formas animales y vegetales. Por

manera:

otro lado, Erasmus Darwin, abuelo de Charles, tam-

bién se apegaba al concepto de cambio en los lina-

1. En cada generación se producen más descen-

jes de la mayoría de las especies, aunque sus ideas

dientes de los que realmente tienen posibilida-

no parecen haber influido en el desarrollo del con-

des de sobrevivir dadas las limitaciones de

cepto de Charles Darwin sobre el cambio evolutivo.

recursos del hábitat, la presencia de depredado

La primera teoría completa sobre un mecanis-

res, los peligros físicos del entorno, etc.

mo de evolución fue postulada por Lamarck en 1801.

2. A causa de lo anterior, dentro de cada especie

Como Charles Darwin, Lamarck fue profundamente

se compite por la supervivencia.

influido por los nuevos descubrimientos en geología,

3. Los participantes en esa competencia no son

los cuales sugerían que la Tierra es muy vieja y

exactamente iguales, sino que varían en mayor o

que los procesos geológicos actuales han estado ac-

menor grado.

tivos desde hace milenios.

4. En esta contienda, los organismos mejor adapta-

dos al medio tienden a sobrevivir, en tanto que

los menos aptos se extinguen. El ambiente natu-

1.18 ¿Cuáles son los conceptos básicos de la teoría de

ral es la fuerza determinante en este proceso.

Lamarck sobre el mecanismo de evolución?

5. Las variaciones que sobreviven y se reproducen

transmiten sus caracteres a la siguiente genera-

Lamarck creía que durante la vida de un organismo

ción.

ocurren cambios en éste a consecuencia de su

6. Después de muchas generaciones, las especies

adaptación a un ambiente determinado. Las partes

tienden a conservar los caracteres de los más

que el organismo usa se vuelven prominentes, mien-

aptos para sobrevivir, en tanto que las caracte-

tras que las que no usa tienden a degenerar (con-

rísticas de los menos adaptados tienden a desa-

cepto del uso y desuso). Además, consideraba que

parecer.

los cambios ocurridos al organismo durante la vida

se transmiten a su descendencia; es decir, su prole

Darwin no estaba seguro del origen de la diversidad

hereda los caracteres adquiridos. La teoría de La-

en la descendencia, pero sí sabía que existen varia-

marck incluía el concepto de un impulso profunda-

ciones hereditarias dentro de las especies. Hoy día,

mente arraigado hacia mayores niveles de

estas variaciones se atribuyen a la recombinación de

complejidad dentro del organismo, como si cada cria-

genes asociada a la reproducción sexual (Cap. 8) y a

tura estuviera dotada de la voluntad de alcanzar una

los cambios, conocidos como mutaciones, en la

posición más alta en la vida.

estructura de los genes.

index-21_1.png

8

BIOLOGÍA

1.20 ¿Qué significa "supervivencia del más apto"?

forma perfectamente adaptada a un medio en cons-

tante cambio.

El proceso de selección parte del hecho de que los

organismos mejor adaptados tienden a sobrevivir,

1.22

¿Cómo es posible que la selección natural, un

casi como si la naturaleza hubiera elegido a unos po-

cos afortunados para su perpetuación. En esencia, la

solo mecanismo de cambio, produzca tal diversi-

aptitud tiene poco que ver con cuáles individuos so-

dad de formas vivas?

breviven por más tiempo o cuáles son los más fuer-

La mutación, aunada a la recombinación genética

tes; más bien depende de cuáles de ellos transmiten

por reproducción sexual y reordenamiento cromosó-

sus genes a la siguiente generación. Con todo, tam-

mico, produce enormes variaciones, incluso entre in-

bién es cierto que los individuos longevos tienen más

dividuos de la misma especie. Esta diversidad abre

tiempo para producir descendencia y que los

la posibilidad de contar con numerosas respuestas

más fuertes pueden tener mayores oportunidades de

adaptativas a las presiones de selección. El imperativo

aparearse. Por lo tanto, en ambos casos la clave es

de adaptarse o morir opera de modo semejante

el éxito reproductivo. El linaje de los organismos

dondequiera; pero la interacción entre la infinidad de

actuales es una larga cadena de vencedores repro-

presiones ambientales existentes en el planeta y la

ductivos en la lucha por la sobrevivencia.

variabilidad genética disponible para enfrentarlas ha

Cabe destacar que el éxito reproductivo no sólo

dado por resultado la enorme diversidad de formas

requiere combatir activamente por los recursos y por

de vida, cada una con su particular solución al pro-

aparearse, sino que puede incluir actitudes de

blema de la supervivencia.

cooperación y altruismo mediante las cuales se in-

Los organismos no tienen que seguir una tra-

crementa el éxito individual. Tampoco es un asunto

yectoria predeterminada para acumular adaptaciones

de todo o nada en el que hay un solo ganador y mu-

durante su desarrollo evolutivo. El resultado final de

chos perdedores. Más bien, la lucha por la existencia

la evolución no es un tipo de vida ideal, sino un con-

y la supervivencia del más apto deben entenderse

junto de peculiaridades funcionales (a la manera de

como un mecanismo de reproducción diferencial:

una hipótesis). La amplia y a veces extraña variedad

los individuos con las mejores adaptaciones superan

de criaturas de este planeta es, en sí, un tipo de evi-

reproductivamente a los de "aptitud" inferior. A lo largo

dencia de desarrollo evolutivo en oposición al crea-

de mucho tiempo, las especies tienden a acumular

cionismo especial, pues en ella cabe esperar una

los genes transmitidos por los individuos mejor

mayor perfección y elegancia en las formas corpora-

adaptados.

les de los seres vivos

1.23

¿Se puede imponer un orden a la diversidad de la

1.21 Si la evolución da por resultado una mejor adapta-

vida?

ción de las especies, ¿se llegará finalmente a un

Por razones de comodidad y claridad, todos los orga-

punto de aptitud perfecta y terminará con ello la

nismos han sido divididos en categorías. Dichas ca-

posibilidad de cambios ulteriores?

tegorías o taxones empiezan con la agrupación más

No. Esto no ocurrirá porque el medio se encuentra

general: el reino. Los reinos se subdividen en phyla

en constante transformación y los grupos que hoy

(plural de phylum). Los phyla se dividen a su vez en

son los mejor adaptados, mañana serán anacróni-

clases, las clases en órdenes, los órdenes en fami-

cos. De esta manera, el proceso nunca termina. Más

lias, las familias en géneros y los géneros en espe-

del 95% de todas las especies que han surgido por

cies. La especie es la unidad de clasificación más

evolución ya están extintas, debido quizá a las trans-

pequeña y mejor definida. Una especie es un grupo

formaciones de la Tierra. Los fósiles, que son los

de organismos semejantes que comparten la misma

restos de lo que alguna vez fueron organismos vivos,

poza génica: ai aparearse producen descendencia

son testimonio de la gran variedad de especies que

fecunda. La ubicación de cierto organismo dentro de

han perecido en la continua búsqueda de una capa-

una serie particular de categorías taxonómicas se basa

cidad de adaptación que sólo puede producir resulta-

en las supuestas relaciones evolutivas del individuo

dos temporales. Los constantes cambios en los

con los demás miembros del grupo taxonómico. Así,

hábitos de los organismos se encuentran inextrica-

monos, simios y seres humanos comparten ca-

blemente ligados a la continuidad misma de los cam-

racterísticas que los colocan en reino, phylum, clase y

bios que se suscitan en la faz de la Tierra.

orden idénticos aunque divergen en el nivel de familia.

Debe resaltarse que buena parte del éxito de

los seres humanos al poblar este mundo se debe a

1.24

¿Cuáles son los cinco reinos y cuáles las caracte-

su capacidad para modificar el ambiente, adaptándolo

rísticas distintivas de cada uno?

a sus necesidades, y no a la evolución hacia una

index-22_1.png

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA CIENCIA

9

Reino

Características distintivas

Ejemplos de

organismos

1. Moriera

Organismos procarióticos unicelulares: células sin núcleos y

sin otras partes especializadas

Bacterias

2. Protista

Organismos eucarióticos unicelulares: células con núcleos y

muchas estructuras internas especializadas

Protozoarios

Helechos,

3. Plantee

Organismos eucarióticos pluricelulares que producen su

propio alimento

árboles

Organismos vegetaloides eucarióticos, unicelulares o

Levaduras,

4. Fungí

pluricelulares, que obtienen su alimento absorbiéndolo del

mohos

medio

Peces, aves,

5. Animalia

Organismos eucarióticos pluricelulares que deben capturar su

alimento y digerirlo internamente

vacas

Problemas complementarios

1.25

La ciencia tiende primordialmente a resolver cues-

1.32 La fijeza (inalterabilidad) de las especies es una

tiones relacionadas con a) el porqué, b) el

suposición de los a) lamarquistas. b) creado-

cómo, c) la ótica, d) la lógica.

pistas especiales, c) evolucionistas, d) ecolo-

gistas.

1.26

La inducción se usa para a) probar hipótesis.

£>) descubrir correlaciones entre hechos, c) plan

1.33

Evolución y selección natural son conceptos idén-

tear hipótesis, d) ninguna de las opciones ante

ticos.

riores.

a) Verdadero, b) Falso.

1.27

El método científico fue creado por a) Darwin.

1.34

Lamarck creía en la herencia de los caracteres ad-

b) Buffon. c) Bacon. d) Lamarck.

quiridos.

a) Verdadero, b) Falso.

1.28

Una buena hipótesis debe ser a) refutable. b)

compatible con la información, c) la explicación

1.35

Darwin fue un famoso experto en genética,

más sencilla, d) todas las opciones anteriores.

a) Verdadero, b) Falso.

1.29

Una hipótesis que ha sido confirmada muchas

1.36

La evolución es un proceso que ocurre sobre un pla-

veces se denomina a) teoría, b) ley religiosa.

neta inalterable.

c) seudociencia. d) ninguna de las opciones ante

a) Verdadero, b) Falso.

riores.

1.37

Los seres humanos y los simios pertenecen a la

1.30

Para un biólogo, la vida es en esencia a) espiri-

misma especie.

tual, b) fisicoquímica, c) mecánica, d) nin-

a) Verdadero, b) Falso.

guna de las opciones anteriores.

1.38

Las bacterias tienen células cuyos núcleos son

1.31

El estudio de los animales se denomina a) botá-

enormes.

nica, b) zoología, c) citología, d) evolución.

a) Verdadero. £>) Falso.

Respuestas

1.25

b)

1.29

a)

1.33

b)

1.37

b)

1.26

c)

1.30

b)

1.34

a)

1.38

b)

1.27

c)

1.31

b)

1.35

b)

1.28

d)

1.32

b)

1.36

b)

index-23_1.png

index-23_2.png

La química de la vida:

perspectiva inorgánica

2.1 ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ENLACES

QUÍMICOS

La materia puede existir en tres estados, según las

condiciones de temperatura y presión y de la naturaleza

Toda la materia consta de unidades simples denomina-

de la sustancia. El estado sólido posee volumen y forma

das átomos. Aunque la palabra átomo significa algo que

definidos; el estado líquido tiene volumen definido, mas

no puede ser fraccionado (a, "sin"; tornee, "corte"), lo cier-

no forma definida; y el estado gaseoso carece de volu-

to es que estas partículas elementales están integradas

men y forma definidos. El movimiento molecular o atómi-

por muchas partes más pequeñas, las cuales también

co alcanza sus límites máximos en ios gases y es

son divisibles. Los elementos son sustancias formadas

relativamente lento en los sólidos.

por un mismo tipo de átomos. Los compuestos están in-

Cada átomo está formado por un núcleo con carga

tegrados por unidades llamadas moléculas, las cuales

positiva y un conjunto de electrones orbitales con

son asociaciones estrechas de átomos (en el caso de los

carga negativa. Un átomo sencillo, como el de hidrógeno,

compuestos, los átomos son diferentes) unidos de una

sólo posee 1 electrón circulando en torno al núcleo, pero

manera precisa.

los átomos más complejos pueden tener hasta 106 elec-

trones en las diversas capas electrónicas concéntricas

Fig. 2.1

index-24_1.png

index-24_2.png

LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA

11

que envuelven el núcleo. Cada capa puede contener uno

electrónicas externas. Los gases nobles —elementos

o más orbitales, en los que se encuentran los electro-

inertes como el neón y el helio— son los únicos que tie-

nes. Todos los átomos de un elemento poseen el mismo

nen capas electrónicas externas completas. Los demás

número de electrones orbitantes, cifra que siempre es

elementos sufren cambios que los conducen hacia con-

igual a la de protones positivamente cargados presentes

formaciones más estables en las que las capas externas

en el núcleo. Este número balanceado de cargas es el

se rellenan con electrones.

número atómico del elemento. Sin embargo, los pesos

Una manera de lograr esa conformación más esta-

atómicos de un elemento dado pueden diferir en virtud

ble es que un átomo con muy pocos electrones en su ca-

de la presencia de distintos números de neutrones sin

pa externa los done a un átomo cuya capa externa está

carga en sus núcleos. Estas variantes del elemento se

casi completa. Cuando eso sucede, el átomo donador de

denominan Isótopos.

electrones queda con más protones que electrones y, por

tanto, adquiere una carga positiva; tal átomo se denomi-

na catión. El que recibe los electrones adquiere una car-

EJEMPL01 El oxígeno es un elemento con número atómico

ga negativa y se llama anión. Estos dos Iones con

de 8 y peso atómico de 16. Su núcleo contiene ocho

cargas opuestas son atraídos electrostáticamente uno

protones y ocho neutrones. Hay ocho electrones circulando

hacia el otro y se dice que los une un enlace Iónico o

en torno al núcleo. Dos de estos últimos se localizan en el

único orbital esférico de la primera capa (K) o nivel de ener-

polar.

gía. La segunda capa electrónica (L), en la cual pueden alo-

jarse hasta ocho electrones, contiene los seis que faltan.

Estos electrones se encuentran repartidos en orbitales que

EJEMPLO 2 El sodio (Na), un metal corrosivo, tiene nú-

contienen dos cada uno. En el caso del oxígeno, uno de los

mero atómico 11, de modo que su tercera capa electrónica

cuatro orbitales de la segunda capa no contiene electrones

(M) sólo contiene un electrón. (La capa K alberga dos elec-

(Fig. 2.1).

trones y la capa L puede contener ocho, de modo que sólo

queda un electrón para la capa M.) El cloro (Cl), un gas ve-

nenoso cuyo número atómico es 17, posee siete electrones

Los electrones que ocupan orbitales cercanos al

en su capa más externa (17 - 2 - 8 = 7). En la interacción de

núcleo tienen menos energía asociada con su rápido giro

estos dos átomos, el sodio dona un electrón al cloro. Ahora,

orbital que los electrones situados en orbitales más leja-

el sodio tiene completa su segunda capa, que se convirtió en

nos. Así, cuando un átomo absorbe energía, uno de sus

la más externa, mientras que el cloro tiene ocho electrones

electrones se desplaza de un orbital situado en un nivel

en su capa externa. Puesto que el Na cedió un electrón, tie-

ne una carga positiva de +1; el Cl, que recibió ese electrón,

de baja energía, cercano al núcleo, a otro correspondien-

ahora posee una carga negativa de -1 y se ha unido elec-

te a un nivel de mayor energía y más lejano. Como no

trostáticamente al sodio para formar cloruro de sodio NaCI,

existen electrones en el espacio situado entre uno y otro

la sal común.

de los bien definidos orbitales, los intercambios de ener-

gía que afectan al átomo sólo pueden ocurrir, según la

teoría moderna (consúltese el libro de Química básica de

La segunda manera de unión de los átomos para

la serie Schaum's), como "paquetes" enteros denomina-

completar sus capas electrónicas externas es compartir

dos cuantos, equivalentes al promedio de la diferencia

un par de electrones. Cada uno de los dos átomos del

de energía entre dos orbitales cualesquiera. Cuando un

enlace aporta un electrón para formar el par compartido.

electrón excitado desciende otra vez al orbital en el que

Este par de electrones constituye un enlace covalente

estaba, la diferencia de energía se manifiesta porque el

que mantiene unidos los átomos. En la fórmula de un

átomo emite cuantos en forma de luz. Los electrones po-

compuesto, este tipo de enlace se representa por medio

seen otras propiedades; por ejemplo, el espín.

de una línea.

Los átomos interactúan para formar comunidades

químicas. Los átomos estrechamente unidos que forman

EJEMPLO 3 El hidrógeno (H) contiene un solo elec-

las moléculas comunales, se mantienen juntos gra-

trón en su capa externa (K), de modo que necesita

cias a los enlaces químicos. Dichos enlaces son resulta-

otro para completarla. El oxígeno posee seis electrones en

do de la tendencia de los átomos a completar sus capas

su capa externa, la cual se completa con ocho. Un átomo de

Fig. 2.2

index-25_1.png

index-25_2.png

12 BIOLOGÍA

hidrógeno puede ingresar en la esfera de influencia de la ca-

de electrones de un átomo a otro, hasta la situación apo-

pa externa de un átomo de oxígeno para compartir su elec-

lar que se observa en casi todos los compuestos orgáni-

trón con éste. Al mismo tiempo, el átomo de oxígeno

cos, en los cuales los átomos participantes comparten de

comparte uno de sus electrones con el hidrógeno para com-

modo equitativo un par de electrones.

pletar los dos que necesita y llenar su capa externa. Si un

De vez en cuando, un átomo puede compartir un

segundo átomo de hidrógeno repite este proceso, el oxígeno

tendrá ocho electrones y cada hidrógeno contará con dos

par de electrones con otro átomo o ion que no comparte

+

electrones. Con este mecanismo, dos átomos de hidrógeno

sus electrones. En la formación del ion amonio (NH4 ),

se unieron de modo covalente con uno de oxígeno para pro-

una molécula de amoniaco (NH3) atrae un ion de hidróge-

ducir una molécula de agua, H

no (H') hacia un par de electrones del átomo de N, los

2O (Fig. 2.2).

cuales no participan en la formación de enlaces covalen-

tes con los hidrógenos que ya estaban presentes en ia

En muchas moléculas el enlace covalente no sólo

molécula. Este tipo de enlace, en el que la "goma" es un

ocurre una vez (se comparte un solo par de electrones),

par de electrones proveniente de uno de los átomos inte-

sino que pueden formarse dobles o triples enlaces en los

ractuantes, se llama enlace covalente coordinado. La

que se comparten dos y hasta tres pares de electrones.

importancia química de este tipo de enlace no difiere de

Estos enlaces dobles y triples tienden a dar rigidez a la

la de los enlaces covalentes ordinarios.

posición de los átomos participantes. Esto es diferente de

Las fuerzas gravitatorias (de atracción) que hay en-

lo que sucede con el enlace sencillo, el cual permite que

tre las moléculas se denominan fuerzas de van der

los átomos giren libremente en torno al eje formado por el

Waals. Dichas atracciones no provocan cambios quími-

propio enlace.

cos, pero son importantes en la generación de las propie-

dades físicas de los gases y los líquidos.

En biología tiene mayor importancia el puente de

EJEMPLO 4 El dióxido de carbono (CO2) es un com-

hidrógeno, en el cual un protón (H1) sirve de eslabón

puesto en el que cada uno de los dos átomos de oxígeno

forma un enlace doble con un solo átomo de carbono (C), el

entre dos moléculas o entre dos partes de una misma

cual, en su estado libre, posee cuatro electrones en su capa

molécula de gran tamaño. Aunque los puentes de hidró-

electrónica externa. En esta reacción se combinan dos elec-

geno son mucho más débiles que los enlaces covalentes

trones del átomo de carbono con dos del átomo de oxígeno

y no producen nuevas combinaciones químicas, tienen

para formar un enlace doble, mientras que los dos electro-

una importante función en la generación de la estructura

nes restantes de la capa externa del C se combinan con dos

tridimensional de macromoléculas como las proteínas y

de los de la capa externa de un segundo átomo de oxígeno

los ácidos nucleicos. Los puentes de hidrógeno provocan

para formar otro enlace doble. Como se aprecia en la figura

la asociación laxa de las dos cadenas polinucleotídicas

2.3, en esta molécula el átomo de C posee un juego comple-

de la estructura de doble hélice del DNA. Asimismo, la

to de ocho electrones en su capa más externa y cada uno de

formación de puentes de hidrógeno entre moléculas

los átomos de O también tiene ocho electrones en la suya.

de agua adyacentes explica muchas de las propiedades

Fig. 2.3

En muchos enlaces covalentes, el par de electro-

del agua que son fundamentales para el manteni-

nes está más próximo a uno de los átomos que al otro.

miento de la vida.

Esto imparte cierto grado de polaridad a la molécula.

Las propiedades químicas de los átomos se deben

Como los núcleos del oxígeno ejercen una atracción par-

en gran medida al número de electrones presentes en

ticularmente fuerte sobre los electrones, el agua se com-

sus capas electrónicas externas. Todos los átomos con

porta como una molécula cargada o dipolo, con un

un electrón en sus capas externas se comportan de mo-

oxígeno negativo en un extremo y un hidrógeno positivo

do parecido, mientras que los dotados de un par de elec-

en el otro. Se considera que las actividades de tales mo-

trones en sus capas externas comparten otro conjunto de

léculas son de tipo polar y se dice que el enlace es cova-

propiedades químicas. Los átomos se pueden organizar

lente polar. Muchas de las propiedades del agua, incluso

dentro de un cuadro basado en sus números atómicos

su capacidad para ionizar otras sustancias, se basan en

crecientes. Cada hilera empieza con un átomo que con-

esta polaridad de la molécula.

tiene un electrón en su capa externa y termina con uno

Cada tipo de molécula tiene propiedades de enlace

que posee una capa externa completa. Ese cuadro se

situadas en algún punto de la gama que va desde los en-

muestra en la figura 2.4 y se conoce como tabla periódi-

laces completamente polares, formados por transferencia

ca de los elementos. Las columnas de elementos tienen

index-26_1.png

index-26_2.png

LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA

13

index-27_1.png

index-27_2.png

14 BIOLOGÍA

el mismo número de electrones en sus capas externas,

más adelante.) Si la reacción tiende a alcanzar el equili-

de modo que se observa periodicidad (recurrencia) de las

brio con una mayor cantidad del producto, su constante

propiedades químicas al avanzar en la tabla desde los

de equilibrio es grande. Si los reactivos tienden a predo-

elementos más sencillos hasta los más complejos. Helio,

minar (es decir, si la reacción avanza poco hacia la dere-

neón, argón, etc. son gases nobles y su propiedad parti-

cha), la constante de equilibrio es pequeña. Si se

cular de ausencia de reactividad se repite cada vez que

agregaran al sistema algunas moléculas de reactivo o de

se llega al grupo cuyos integrantes tienen completa su

producto, la reacción se alteraría para alcanzar de nuevo

capa electrónica externa. Existe una relación similar en el

un estado en el cual las concentraciones volvieran a que-

caso de los metales litio, sodio, potasio y otros, los cuales

dar en una proporción equivalente a la constante de equi-

poseen en su capa externa un electrón que tienden a ce-

librio. En la ecuación A + B →C + D, la ley de acción de

der durante la interacción con otros átomos. La disposi-

masas se representaría como

ción de los átomos dentro de una tabla de este tipo

confiere orden a los ciento y tantos elementos conocidos

y presenta, de modo sencillo, la relación que hay entre la

estructura atómica y la función química al avanzar de los

átomos más simples a los más complejos.

donde [ ] representa las concentraciones molares y k es

la constante de equilibrio.

La concentración es una medida de la cantidad de

una sustancia determinada en un volumen dado. Como la

2.2 LAS REACCIONES QUÍMICAS Y

tendencia de casi todas las reacciones a ocurrir se basa

en parte en el grado de hacinamiento de las moléculas

EL CONCEPTO DE EQUILIBRIO

reactivas, la concentración es un factor importante en la

Las reacciones químicas se representan por medio de

determinación de los fenómenos químicos. Una manera

ecuaciones en las que las moléculas reactivas (reacti-

común de expresar la concentración de una solución es

vos) se escriben a la izquierda y los productos, a la de-

en moles de soluto por litro de solución (molaridad). Un

recha. Una flecha señala el sentido de la reacción. Las

mol, que es el peso molecular de una molécula expresa-

sustancias que participan en la reacción se representan

do en gramos, puede concebirse mentalmente como un

por medio de fórmulas empíricas, una forma abreviada

número específico de átomos o moléculas. Un mol de

de representar la constitución de las moléculas de cada

cualquier compuesto contiene 6.02 x 1023 moléculas.

una. Cada elemento de la molécula se escribe como un

Entonces, 1 mol de H2O contiene el mismo número de

símbolo característico (p.e. H para hidrógeno y O para

moléculas que 1 mol de CO2; lo mismo podría decirse si

oxígeno) y el número de átomos se expresa por medio de

se tratara de 2 moles o de VÍ3 mol de esas sustan-

un subíndice a la derecha de cada símbolo (p. ej. H

cias. Siguiendo un razonamiento semejante, una solución

2O).

El número de moléculas participantes se indica como un

1 molar (1 M) contiene el doble de moléculas de soluto

coeficiente numérico a la izquierda de cada molécula (p.

que una solución 0.5 M. Como las moléculas son las uni-

ej.2H

dades asociadas con las transformaciones químicas, la

2O).

Algunas reacciones son de descomposición sencilla

concentración molar garantiza la cuantificación uniforme

y se escriben como AB →A + B. Otras son de combina-

de las unidades interactuantes y es más significativa que

ción sencilla: A + B → AB. Las reacciones más complejas

los pesos absolutos al evaluar las interacciones químicas.

pueden incluir la interacción de dos o más moléculas pa-

En algunos casos se prefiere el uso de la normali-

ra formar productos muy diferentes a las moléculas reac-

dad (/v) en vez de la molaridad para expresar la concen-

tivas: A + B → C + D. En todas estas reacciones, los

tración. Como la normalidad equivale a la molaridad

números y los tipos de átomos que aparecen a la iz-

dividida entre la valencia o potencia química de una

quierda deben quedar debidamente balanceados a la

molécula, representa de modo más exacto la reactividad

derecha.

química de las sustancias en solución. Se necesita la mi-

Son pocas las reacciones en las que se agotan por

tad de las sustancias con potencia de combinación 2,

completo los reactivos; lo más común es que se llegue a

comparadas con las sustancias de valencia 1, para lograr

un estado de equilibrio en el que la interacción de los

un efecto determinado.

reactivos para formar los productos queda compensada

por la reacción inversa, en la cual los productos interac-

túan para formar los reactivos. La ley de acción de ma-

EJEMPLO 5 La base NaOH reacciona con el ácido

sas afirma que, en el equilibrio, el producto de las

H2SO4 para formar agua y la sal Na¡SO4. He aquf la ecua-

concentraciones molares de las moléculas del lado dere-

ción balanceada de esta reacción

cho de la ecuación, dividido entre el producto de las con-

centraciones molares de los reactivos, siempre será una

2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + H2O

constante. (Las concentraciones molares se explican

Si se tuviera que usar un litro de NaOH 1 M bastarla con un

index-28_1.png

LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA

15

litro de H2SO4 en concentración de apenas 0.5 M, pues se

2.4 LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA

dispondría de suficiente ácido para que ocurriera la reacción,

ya que en la ecuación puede verse que sólo se necesita la

La termodinámica estudia las transformaciones de la

mitad de moles de H2¿O4. Empero, si la concentración se

energía en todas sus formas. Aunque la palabra significa

midiera usando la normalidad, para un litro de NaOH 1 N

literalmente "movimiento" o "cambio de calor", las reglas

sería necesario un litro de HÜSO« 1 N. Esto se debe a que la

aplicables a las transformaciones del calor (térmicas)

valencia del ion SO4*- es -2 y, como ya se explicó, la norma-

pueden usarse para describir los cambios de energía en

lidad equivale a la molaridad dividida entre la valencia. Por

general gracias a que todas las formas de energía son

tanto, una solución 1 N de H2SO4 es igual que una solución

0.5 M, es decir, la misma concentración usada cuando se

degradables a calor.

empleó como medida la molaridad.

Energía es la capacidad de realizar trabajo. Traba-

jo se define tradicionalmente como una fuerza que actúa

a través de una distancia. Fuerza se refiere a un empu-

jón o un tirón que altera el movimiento de un cuerpo. En

2.3 PROPIEDADES COUGATIVAS DE

biología, la energía sirve para contrarrestar las tenden-

LAS SOLUCIONES

cias físicas naturales; por ejemplo, para mover moléculas

de azúcar en contra de su gradiente de concentración.

La presencia de solutos (partículas disueltas) en un disol-

La energía tiene diversas formas. Calor es la ener-

vente tiende a abatir la presión de vapor, es decir, la

gía asociada con el rápido movimiento interno de las mo-

tendencia de las moléculas del líquido a escapar. Asimis-

léculas de líquidos y gases. Energía mecánica es la que

mo, las partículas de soluto abaten el punto de congela-

está presente en el movimiento de los cuerpos; energía

ción y elevan el punto de ebullición. Como se explica

química es la encerrada en los enlaces que mantienen

enseguida, la presión osmótica también aumenta. Estas

unidos los átomos de las moléculas; y energía radiante

cualidades se denominan en conjunto propiedades

es la que emiten el Sol y otras fuentes de energía que se

collgatlvas de la solución. Sólo las afecta el número de

propaga en forma de ondas. Todos los tipos de energía

partículas, mas no los tipos o la reactividad química de

pueden existir en forma real; por ejemplo, la energía ci-

éstas. Si una molécula en particular se disocia formando

nética de una roca que va cayendo, o en forma poten-

varios iones, influye sobre las propiedades coligativas en

cial, como la energía potencial de una roca situada en la

la misma medida de su disociación; por ejemplo, si un

cima de una montaña o la de ciertas moléculas orgánicas

compuesto se disocia formando dos iones, una solución

que poseen enlaces químicos de alta energía, la cual

1 M de la sustancia se comporta como si estuviera más

queda libre al romperse dichos enlaces.

cercana a 2 Af en términos de sus efectos sobre la osmo-

En el mundo natural, las tres leyes de la termodiná-

sis, el abatimiento del punto de congelación, etc.

mica rigen todas las transformaciones de energía. La pri-

Si se dividiera un recipiente en dos compartimien-

mera de ellas, denominada ley de la conservación de la

tos por medio de una membrana impermeable al soluto,

energía, afirma que la energía ni se crea ni se destruye.

mas no al disolvente (membrana semipermeable), y se

Hoy día, los físicos consideran que la materia es un caso

pusieran concentraciones diferentes de una solución en

especial de energía, de modo que las reacciones asocia-

uno y otro lado de dicha membrana, las moléculas del so-

das con la fisión o la fusión atómicas pueden explicarse

luto no podrían atravesarla, pero las del disolvente sí pa-

en términos de la primera ley. En las bombas atómica y

sarían hacia el compartimiento en el que están menos

de hidrógeno, una pequeña cantidad de masa se con-

aglomeradas. Puesto que el compartimiento más diluido

vierte en grandes cantidades de energía conforme a la

contiene más moléculas del disolvente que el concentra-

ecuación de Albert Einstein, E = mc2, en la cual la masa

do, el agua o cualquier otro disolvente similar tienden a

consumida se multiplica por la velocidad de la luz eleva-

moverse de las menores a las mayores concentraciones

da al cuadrado.

del soluto. Este fenómeno se conoce como osmosis. La

De cuando en cuando, la segunda ley de la termo-

presión ejercida por la tendencia de las moléculas del di-

dinámica se enuncia en términos de transferencia de ca-

solvente a pasar a través de la membrana se denomina

lor: el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos. Sin

presión osmótica. Conforme aumenta el volumen de

embargo, este enunciado no basta para comprender la

solución en uno de los compartimientos respecto al otro,

verdadera importancia de la segunda ley. He aquí una

dicha solución se eleva dentro del recipiente hasta que

mejor explicación: en toda transformación, la energía

las fuerzas gravitatorías asociadas con el incremento de

tiende a perder su capacidad para realizar trabajo útil.

altura en el compartimiento más concentrado igualan la

Dado que el trabajo útil se relaciona con un incremento

presión osmótica, debida a la diferencia de concentracio-

del orden, la segunda ley también puede expresarse co-

nes. Si se consideran los cambios continuos de concen-

mo la tendencia natural de los sistemas a entrar en esta-

tración, el incremento de altura de una columna de

dos de mayor desorden o aleatoriedad. Para referirse al

líquido dentro de su recipiente sirve para calcular la pre-

desorden se usa la palabra entropía, aunque este

sión osmótica.

término también puede definirse como una medida de la

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16 BIOLOGÍA

indisponibilidad de la energía para efectuar trabajo útil

moléculas como el adenosintrifosfato (ATP o trifosfato de

(una consecuencia del desorden). Otra alternativa es

adenosina). Este ATP se degrada para brindar la energía

considerar la segunda ley en términos de energía poten-

necesaria a las diversas reacciones endergónicas en

cial: en cualquier reacción espontánea, es decir, una en

las que se basan las actividades de síntesis de los

la que no se necesita energía externa, la energía po-

organismos.

tencial tiende a disminuir. Estos enunciados se pueden

resumir en la conclusión, un tanto pesimista, de que el

universo se está degradando y de que toda la energía

acabará por distribuirse de modo uniforme en un

2.5 EL CASO ESPECIAL DEL AGUA

ambiente en el cual no será posible un solo intercambio

más de energía, porque la entropia alcanzará su máximo

El agua es la molécula inorgánica más importante para

nivel.

todas las formas de vida. Favorece la complejidad debido

La tercera ley afirma que sólo un cristal perfecto,

a su tendencia a disolver una amplia variedad de molécu-

equivalente a un sistema de máximo orden, a -273°C

las inorgánicas y orgánicas. Gracias a sus cualidades po-

(cero absoluto da temperatura) carece de entropia. Como

lares, favorece la disociación de muchas moléculas

esta condición ideal jamás ocurre, todos los sistemas na-

formadoras de iones, los cuales participan en la regula-

turales se caracterizan por cierto grado de desorden.

ción de propiedades biológicas como la contracción mus-

Toda reacción cuyo resultado sea la emisión de

cular, la permeabilidad y la transmisión de impulsos

energía libre, forma de energía asociada con la realiza-

nerviosos.

ción de trabajo útil, se clasifica como exergónica. Las

El agua es indispensable para la prevención de

reacciones de este tipo tienden a ocurrir espontáneamen-

cambios bruscos de temperatura que podrían destruir la

te. Por lo común, en los seres vivos las reacciones exer-

estructura de muchas macromoléculas dentro de la célu-

gónicas se relacionan con la degradación de moléculas

la. El agua tiene uno de los calores específicos más al-

complejas, cuyos enlaces representan un almacén de for-

tos entre las sustancias naturales; es decir, puede

mas de energía ordenadas, para producir moléculas más

absorber grandes cantidades de calor sufriendo cambios

sencillas cuyos enlaces pertenecen a órdenes de energía

relativamente pequeños en su temperatura. Por otra par-

mucho menores. Una analogía que ejemplifica la índole

te, cuenta con un elevado calor latente de fusión, lo

de tales reacciones es una piedra que rueda cuesta aba-

cual significa que al pasar del estado líquido al sólido

jo desde la cumbre de un cerro. La energía necesaria

(hielo) emite cantidades relativamente grandes de calor.

para colocar la piedra en la cima existe como energía po-

Por el contrario, el hielo absorbe grandes cantidades de

tencial (almacenada) en virtud de la posición elevada de

calor al fundirse. Esta cualidad se traduce en resistencia

dicha piedra. Ésta puede rodar cuesta abajo sin necesi-

a los cambios de temperatura en torno al punto de con-

dad de energía externa y, al hacerlo , libera su energía

gelación. El elevado calor latente de evaporación del

almacenada, la cual se convierte en energía mecánica

agua (calor absorbido durante la evaporación) nos sirve

conforme la piedra avanza hacia abajo. La energía del

para que la superficie del cuerpo se deshaga de grandes

movimiento se llama energía cinética, palabra derivada

cantidades de calor durante la transformación del agua lí-

de una raíz griega que significa "movimiento". Aunque la

quida (sudor) en vapor.

piedra tiende a rodar cuesta abajo, quizá necesite un em-

pujón para iniciar su movimiento. Ese empujón represen-

ta la energía de activación necesaria para que

EJEMPLO 6 Cada gramo (g) de agua absorbe 540 calo-

comiencen las reacciones, incluso las espontáneas. No

rías (cal) al evaporarse. Calcule la cantidad de calor que se

toda la energía almacenada se libera en forma de energía

pierde a través de 5 cm2 de superficie corporal por cada 10 g

mecánica, pues parte de la energía se desprende en for-

de agua que se evaporan en ella.

ma de calor durante el movimiento de la piedra, que sufre

Puesto que 1 g de agua absorbe 540 cal al evaporar-

fricción contra la superficie del cerro.

se, 10 g de agua absorben 5400 cal en el área de 5 cm2, lo

Las reacciones en las que ocurre un cambio desde

que equivale a 1080 cal/cm2. Este mecanismo de elimina-

ción de calor deja de funcionar cuando el aire se satura de

un estado de baja energía hasta uno de alta energía se

agua, lo cual imposibilita la evaporación; esto explica la inco-

llaman endergónicas. En este caso debe entrar energía

modidad que se siente en los días calurosos y húmedos.

libre al sistema desde afuera, algo así como si tuviéra-

mos que hacer rodar una piedra cuesta arriba, maniobra

en la cual se gastaría energía. En los sistemas biológicos,

Las características antes mencionadas, junto con la

las reacciones endergónicas sólo son posibles cuando

elevada tensión superficial y la rara propiedad del agua

están acopladas a reacciones exergónicas que aportan la

de expandirse cuando se congela, se deben en buena

energía necesaria. Varias reacciones exergónicas que

medida a la tendencia de sus moléculas a mantenerse

ocurren dentro de los sistemas vivos producen la energía

unidas gracias a la constante formación de puentes de hi-

libre que se almacena en los enlaces de alta energía de

drógeno entre ellas.

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LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA

17

Por último, el agua es transparente; gracias a ello

multiplicar por 10 la concentración de H+. Cuanto menos

no interfiere procesos como la fotosíntesis (a poca pro-

sea el pH, mayor será la concentración del ion de hidró-

fundidad) y la visión, dos fenómenos para los que es ne-

geno (p. ej., un pH de 3 representa 10-3 moles de iones

cesario el paso libre de la luz.

H+, pero un pH de 2 indica la presencia de 10-2 moles del

ion). Las soluciones neutras tienen un pH de 7, mientras

que la máxima acidez en soluciones acuosas está repre-

sentada por un pH de 0. Un pH por arriba de 7 indica

2.6 MANTENIMIENTO DE UN pH ESTABLE EN LOS

que la solución es alcalina; la máxima alcalinidad está re-

SISTEMAS VIVOS

presentada por un pH de 14.

En general, el pH que prevalece en el interior de

La acidez y la alcalinidad se miden con una escala basa-

casi todos los organismos y sus partes es cercano al

da en la ligera ionización del agua. La acidez depende de

neutro. Si la sangre del ser humano (pH 7.35) tuviera un

la concentración de H+ mientras que la alcalinidad es

cambio de pH de apenas 0.1, las consecuencias serían

función de la concentración de OH-; por tanto, la ioniza-

graves. (Aunque el pH de los jugos digestivos del estó-

ción del agua —H2O → H+ + OH-— produce, al menos en

mago se encuentra en los extremos ácidos de la escala,

teoría, un sistema neutro. En el agua pura la disociación

la cavidad de este órgano no está propiamente en el inte-

es tan escasa que, en el punto de equilibrio, 1 mol (18 g)

rior del cuerpo; más bien se trata de un ambiente "exter-

de agua produce 10"7 moles de H+ y 10"7 moles de OH".

no interior": en esencia, durante el desarrollo embrionario

Dado que la ionización es tan pequeña, puede decirse

el cuerpo se pliega en torno a un espacio exterior y de

que la masa no ionizada del agua tiene una concentra-

ese modo se forma un tubo interno.) El exceso de iones

ción 1 M. Entonces

H+ y OH- producidos durante las reacciones metabólicas

es neutralizado o absorbido por sistemas químicos llama-

dos amortiguadores, tampones o buffers. Estos siste-

mas amortiguadores se forman generalmente con un

ácido débil y su sal. El exceso de iones H+ es absorbido

En términos prácticos, el significado de esta re-

por el anión de la sal y así se forma un poco más del áci-

lación es que la concentración molar de H+ multipli-

do débil, el cual se disocia relativamente poco. El exceso

cada por la concentración molar de OH- siempre será

de OH- se combina con el ácido débil y hace que éste li-

1/100 000 000 000 000 ó 10-14 M, la constante de equili-

bere en la solución su H+. De ese modo se impiden un

brio. Así pues, conforme aumenta la concentración de H+,

descenso brusco en la concentración del ion de hidróge-

la de OH- debe disminuir. Con el fin de evitar esas engo-

no y el consiguiente aumento del pH. Entre los sistemas

rrosas fracciones o H uso de exponentes negativos, se

amortiguadores que mantienen un pH relativamente

creó un sistema que nos permite expresar la acidez en

constante cabe citar el sistema ácido carbónico/ion bicar-

forma de enteros positivos. La expresión pH significa

bonato de la sangre y el sistema ácido acético/ion aceta-

"potencia de H" y se define como el logaritmo negativo

to, de algunas células. Los sistemas amortiguadores

(es decir, 1/log) de la concentración del ion hidrógeno.

bastan para compensar las variaciones leves de pH, pero

Como el pH es una potencia o función exponencial,

pueden ser avasallados por bs incrementos considera-

cada unidad de pH representa un cambio equivalente a

bles de ácidos o bases.

Problemas resueltos

2.1 ¿Qué es un átomo?

2.2 ¿Cuál es la diferencia entre el número y el peso

atómicos de los átomos de un elemento?

El átomo es la unidad básica de todas las sustancias

simples (elementos). Lo constituyen un núcleo con

El número atómico equivale al número de protones

carga positiva rodeado por electrones negativamen-

en el núcleo o al de electrones en las órbitas. El pe-

te cargados que giran a gran velocidad en torno a él.

so atómico es igual al número de protones más el

El número de electrones en órbita alrededor del nú-

número de neutrones presentes en el núcleo. El neu-

cleo de un átomo en estado no ionizado equivale al

trón es una partícula nuclear con masa aproximada-

número de protones positivamente cargados presen-

mente igual a la del protón, pero sin carga eléctrica.

tes en el núcleo.

Las diversas partículas presentes dentro del núcleo

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18 BIOLOGÍA

se conocen como nucleones, al biólogo sólo le inte-

2.6 ¿Cuál es la diferencia entre orbital y capa?

resan los neutrones y los protones. Los físicos opi-

nan que muchos de los nucleones, que hace tiempo

La capa electrónica es un nivel de energía alrededor

se consideraban partículas Indivisibles, en realidad

del núcleo y puede contener uno o más orbitales. La

constan de unidades más pequeñas denominadas

primera capa, denominada K, contiene un solo orbi-

quarks.

tal esférico que da cabida a dos electrones. La se-

gunda capa, un poco más alejada del núcleo,

contiene cuatro orbitales. Puesto que cada uno de

esos orbitales puede alojar dos electrones, esta se-

2.3 ¿Todos los átomos de un elemento son idénticos

gunda capa, de mayor energía, contiene hasta ocho

por su estructura?

electrones. El nombre de esta segunda capa es L;

Aunque todos los átomos de un elemento tienen el

una tercera capa, llamada M, puede contener de

mismo número atómico, pueden presentar diferen-

cuatro a nueve orbitales. En total existen siete capas

cias en peso atómico. Tal diferencia se debe a una

(de la K a la Q) que pueden estar presentes alrede-

variación en el número de neutrones presentes en el

dor del núcleo de átomos cada vez más complejos.

núcleo. Esas variantes se denominan Isótopos. Los

La primera tiene un orbital esférico. La segunda po-

pesos atómicos normales que se presentan en las

see uno esférico y tres con forma de dos gotas de

tablas periódicas se obtuvieron promediando los isó-

agua unidas por sus vértices, cuyos ejes son perpen-

topos específicos conforme a su frecuencia relativa.

diculares entre sí.

Muchos de tales isótopos son inestables debido a los

La elegancia de la estructura atómica se basa

cambios que los neutrones adicionales producen en

en la incorporación de electrones, uno a uno, a las

la estructura nuclear. Esto conduce a la emisión de

capas concéntricas que rodean al núcleo. El átomo

partículas y rayos radiactivos. Esos isótopos radiacti-

más simple, el del hidrógeno, contiene un electrón

vos son importantes en la investigación, ya que per-

que gira alrededor del núcleo. El helio tiene dos elec-

miten marcar átomos individuales.

trones en su capa K. El litio, cuyo número atómico es

Dado que las propiedades químicas del átomo

3, tiene completa la capa K interna y un solo electrón

se basan en la configuración de sus electrones orbi-

en la capa L. Los átomos subsiguientes van aumen-

tantes, los diversos isótopos del elemento se

tando de complejidad por incorporación sucesiva de

comportan del mismo modo en términos de sus ca-

electrones hasta que las capas quedan completas.

racterísticas químicas.

Por lo general (mas no invariablemente), las capas

más próximas al núcleo quedan completas antes de

que empiecen a haber electrones en las capas exter-

nas, ya que la estabilidad atómica depende de que

2.4 ¿De qué modo están dispuestos los electrones en

cada disposición de los electrones en el espacio se

torno al núcleo?

mantenga en el menor nivel de energía.

En las teorías antiguas se suponía que los electrones

giraban alrededor del núcleo siguiendo rutas defini-

2.7 ¿Cuál es el fundamento de las interacciones de

das, tal como los planetas del sistema solar. En la

actualidad se supone que las posiciones electrónicas

los átomos?

pueden variar, pero que es más probable localizar-

Al parecer, todas las reacciones químicas que ocu-

los en cierta posición, llamada orbital, en torno al

rren en la naturaleza se deben a que los átomos ne-

núcleo. En algunas teorías los orbitales se represen-

cesitan completar sus capas electrónicas externas.

tan como si fueran nubes (sombras) cuya máxima

Los átomos que ya completaron con electrones su

densidad corresponde a la probabilidad más alta de

capa externa no tienen reactividad química; éstos

encontrar ahí un electrón. De este modo, la posición

constituyen una serie de elementos relativamente

de un electrón en el enorme espacio que rodea al

inertes denominados gases nobles. Son ejemplos el

núcleo del átomo puede reducirse a una ecuación

helio, con número atómico 2 y una capa K completa,

matemática de probabilidad.

y el neón, con número atómico 10 y una capa L com-

pleta.

Casi todos los demás átomos interactúan (re-

2.5 ¿Cuál supone el lector que sea la causa de que

accionan) unos con otros para producir configuracio-

los electrones se mantengan en su órbita alrede-

nes que les permiten completar sus capas externas.

dor del núcleo?

Tales combinaciones de átomos se denominan molé-

culas. Algunas de ellas son muy complejas y están

La estabilidad de los electrones que se desplazan en

formadas por cientos e incluso miles de átomos,

sus orbitales específicos se debe al equilibrio de la

mientras que otras apenas poseen dos o tres de és-

fuerza de atracción entre el núcleo positivamente

tos. Al igual que los átomos individuales son las uni-

cargado y el electrón negativo y la fuerza centrífuga

dades de un elemento, las combinaciones

(tendencia a alejarse del centro) de los electrones

(moléculas) de diferentes tipos de átomos integran

orbitantes.

un compuesto.

index-32_1.png

LA QUÍMICA DE LA VIDA: PERSPECTIVA INORGÁNICA

19

2.8

Mencione cuatro tipos de interacción entre átomos

tos con números de electrones crecientes en sus ca-

o moléculas.

pas externas. El último de ellos es el neón, cuyo nú-

mero atómico es 10 y tiene una capa externa

Enlaces iónicos, enlaces covalentes, puentes de hi-

completa de ocho electrones. Luego, la tercera hilera

drógeno y fuerzas de van der Waals.

comienza con el sodio, cuyo número atómico es 11,

y termina con el gas noble argón, con número atómi-

2.9

El calcio (Ca) tiene número atómico 20. Puesto

co 18.

que tiende a formar enlaces iónicos con facilidad,

Cada hilera horizontal de números atómicos

¿qué carga tendrá el calcio en su forma iónica?

crecientes se denomina periodo. Las columnas, cu-

¿Qué compuesto forma al combinarse con cloro

yos elementos son similares por el número de elec-

(Cl)?

trones que contienen en sus capas externas,

constituyen un grupo. Los gases nobles, dado que

El calcio posee dos electrones en su capa externa

son los últimos elementos de una serie de periodos,

(20 - 2 - 8 -8 = 2). Al perder esos dos electrones lo-

forman un grupo; todos los elementos con un elec-

gra una configuración estable con ocho electrones

trón en la capa externa forman otro grupo. En vista

en su capa externa. Por tanto, en su forma ionizada

de que las propiedades químicas de los elementos

tiene carga +2 y se denomina Ca2+. Puesto que el

se relacionan directamente con la configuración de

cloro necesita un electrón para completar su capa

sus electrones externos, en general todos los ele-

externa, dos átomos de este elemento pueden acep-

mentos que forman un grupo tienen las mismas pro-

tar los dos electrones del calcio y formar el compues-

piedades químicas. Este es el fundamento de la

to Iónico CaCI

periodicidad observada en las propiedades de todos

2 o cloruro de calcio.

los elementos químicos.

2.10

El nitrógeno tiene número atómico 7 y forma enla-

ces covalentes consigo mismo, produciendo N2.

2.12

¿Cómo se describen las reacciones químicas?

Explique la unión covalente del N-, en términos de

Todas las reacciones químicas consisten en un reor-

electrones.

denamiento de enlaces. Suelen representarse me-

Con un total de siete electrones, el nitrógeno tiene

diante una ecuación química, en la cual los reactivos

cinco de ellos en su segunda capa y, por tanto, nece-

(moléculas que sufren cambio) se escriben a la iz-

sita otros tres para alcanzar una capa estable de

quierda y los productos por formar se anotan a

ocho. Mediante la formación de un triple enlace, en

la derecha. Una flecha señala el sentido de la reac-

el cual cada nitrógeno comparte de modo covalente

ción, que va de los reactivos a los productos. Una

tres de sus electrones con el otro nitrógeno, ambos

reacción ordinaria puede representarse como sigue:

átomos logran la estabilidad de sus capas externas.

A + B → C + D. Cada una de las moléculas (o áto-