Niveles de Organización de la Materia y Propiedades de la Vida

Niveles de Organización de la Materia

La materia viva e inerte se puede encontrar en diversos estados de agrupación diferentes. Esta agrupación u organización puede definirse en una escala de organización que sigue la siguiente secuencia de menor a mayor organización.

1. Subatómico: Este nivel es el más simple de todos y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.
2. Átomo: Es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico.
3. Moléculas: Las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para formar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos…
4. Celular: Las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autorreplicación.
5. Tisular: Las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular…
6. Organular: Los tejidos están estructurados en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones…
7. Sistémico o de aparatos: Los órganos se estructuran en aparatos digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos…
8. Organismo: Nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos funcionales forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos, etc.
9. Población: Los organismos de la misma especie se agrupan en un número determinado para formar un núcleo poblacional: una manada de leones o lobos, un bosque de arces, pinos, etc.
10. Comunidad: Es el conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes en un lugar. Está formada por distintas especies.
11. Ecosistema: Es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia.
12. Paisaje: Es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros característicos de las provincias del sureste español.
13. Región: Es un nivel superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.
14. Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a características ambientales macroclimáticas (humedad, temperatura, radiación) y se basan en la dominancia de una especie, aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga, definida por la dominancia de coníferas, un elemento identificador claro pero no homogéneo; también se define por la latitud y la temperatura.
15. Biosfera: Es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta Tierra, o de igual modo es la capa de la Tierra donde existe vida, que abarca parte de la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera.

Cada nivel de organización engloba los niveles inferiores. Por ejemplo, un elefante tiene un sistema respiratorio que consta de órganos como los pulmones, que a su vez están compuestos por tejidos como el respiratorio, el epitelial, que a su vez lo conforman células, y así sucesivamente.

Teorías del Origen de la Vida

El Creacionismo

Desde la antigüedad han existido explicaciones creacionistas que suponen que un dios o varios pudieron originar todo lo existente. A partir de esto, muchas religiones se iniciaron dando una explicación creacionista sobre el origen del mundo y los seres vivos. Por otra parte, la ciencia también tiene algunas explicaciones acerca de cómo se originaron los seres vivos, como son las siguientes.

La Generación Espontánea

Desde la antigüedad este pensamiento se tenía como aceptable, sosteniendo que la vida podía surgir del lodo, del agua, del mar o de la combinación de los cuatro elementos fundamentales: aire, fuego, agua y tierra. Aristóteles propuso el origen espontáneo para gusanos, insectos y peces a partir de sustancias como el rocío, el sudor y la humedad. Según él, este proceso era el resultado de la interacción de la materia no viva con fuerzas capaces de dar vida a lo que no la tenía. A esta fuerza la llamó ENTELEQUIA.

La idea de la generación espontánea de los seres vivos perduró durante mucho tiempo. En 1667, Johann B. van Helmont, médico holandés, propuso una receta que supuestamente permitía la generación espontánea de ratones: «las criaturas tales como los piojos, garrapatas, pulgas y gusanos, son nuestros huéspedes y vecinos, pero nacen de nuestras entrañas y excrementos. Porque si colocamos ropa interior llena de sudor junto con trigo en un recipiente de boca ancha, al cabo de 21 días el olor cambia y penetra a través de las cáscaras del trigo, transformando el trigo en ratones. Pero lo más notable es que estos ratones son de ambos sexos y se pueden cruzar con ratones que hayan surgido de manera normal…»

Algunos científicos no estaban conformes con esas explicaciones y comenzaron a someter a experimentación todas esas ideas y teorías.

Francesco Redi, médico italiano, hizo los primeros experimentos para demostrar la falsedad de la generación espontánea. Logró demostrar que los gusanos que infestaban la carne eran larvas provenientes de huevecillos depositados por las moscas en la carne. Simplemente colocó trozos de carne en tres recipientes iguales: al primero lo cerró herméticamente, el segundo lo cubrió con una gasa, el tercero lo dejó descubierto. Observó que en el frasco tapado no había gusanos aunque la carne estaba podrida y mal oliente; en el segundo pudo observar que, sobre la tela, había huevecillos de las moscas que no pudieron atravesarla; la carne del tercer frasco tenía gran cantidad de larvas y moscas. Con dicho experimento se empezó a refutar la teoría conocida como «generación espontánea».

La Panspermia

Una propuesta más para resolver el problema del origen de la vida la presentó Svante Arrhenius, en 1908. Su teoría se conoce con el nombre de panspermia. Según esta, la vida llegó a la Tierra en forma de esporas y bacterias provenientes del espacio exterior que, a su vez, se desprendieron de un planeta en el que existían.

La Teoría de Oparin-Haldane

Con el transcurso de los años y habiendo sido refutada la generación espontánea, fue propuesta la teoría del origen físico-químico de la vida, conocida también como teoría de Oparin-Haldane.

La teoría de Oparin-Haldane se basa en las condiciones físicas y químicas que existieron en la Tierra primitiva y que pudieron permitir el desarrollo de la vida.

De acuerdo con esta teoría, en la Tierra primitiva existieron determinadas condiciones de temperatura y radiaciones del Sol que afectaron las sustancias presentes en los mares primitivos. Dichas sustancias se combinaron de tal manera que pudieron dar origen a los seres vivos.

En 1924, el bioquímico Alexander I. Oparin publicó «El origen de la vida», obra en la que sugería que, recién formada la Tierra y antes de la aparición de los primeros organismos, la atmósfera era muy diferente a la actual. Según Oparin, esta atmósfera primitiva carecía de oxígeno libre, pero contenía sustancias como hidrógeno, metano y amoníaco. Estas sustancias reaccionaron entre sí debido a la energía de la radiación solar, la actividad eléctrica de la atmósfera y la de los volcanes, lo que pudo dar origen a los primeros compuestos orgánicos.

En 1928, John B.S. Haldane, biólogo inglés, propuso de forma independiente una explicación muy semejante a la de Oparin. Dichas teorías influyeron notablemente en los científicos interesados en el problema del origen de la vida.

Características de los Seres Vivos

Organización

Un ser vivo es resultado de una organización muy precisa; en su interior se realizan varias actividades al mismo tiempo, estando estas actividades relacionadas unas con otras, por lo que todos los seres vivos poseen una organización específica y compleja a la vez.

El grado más sencillo de organización en un organismo es la célula. Los procesos que se efectúan en todo el organismo son el resultado de las funciones coordinadas de todas las células que lo constituyen. En vegetales y animales superiores se observan grados de organización más compleja, como los tejidos, órganos y, el más avanzado, sistemas. Además, los virus no son considerados seres vivos porque, al entrar en un organismo, utilizan su maquinaria celular para replicarse.

Homeostasis

Debido a la tendencia natural a la pérdida de orden, denominada entropía, los organismos están obligados a mantener un control sobre sus cuerpos, al que se denomina homeostasis, y de esta forma mantenerse sanos. Para lograr este cometido se utiliza una cantidad considerable de energía. Algunos de los factores regulados son:

• Termorregulación: Es la regulación del calor y el frío.
• Osmorregulación: Regulación del agua e iones, en la que participa el sistema excretor principalmente.

Irritabilidad

La reacción a ciertos estímulos (sonidos, olores, etc.) del medio ambiente constituye la función de la irritabilidad. Por lo general, los seres vivos no son estáticos; son irritables, responden a cambios físicos o químicos, tanto en el medio externo como en el interno.

Los estímulos que pueden causar una respuesta en plantas y animales son: cambios en la intensidad de luz, ruidos, sonidos, aromas, cambios de temperatura, variación en la presión, etc.

Metabolismo

El fenómeno del metabolismo permite a los seres vivos procesar sus alimentos para obtener nutrientes, utilizando una cantidad de estos y almacenando el resto para usarlo cuando efectúan sus funciones. En el metabolismo se efectúan dos procesos fundamentales:

• Anabolismo: Es el proceso por el cual se transforman sustancias sencillas en sustancias complejas.
• Catabolismo: Es el proceso por el cual se desdoblan sustancias complejas en materiales simples, liberando energía.

Durante el metabolismo se realizan reacciones químicas y energéticas. Así como el crecimiento, la autorreparación y la liberación de energía dentro del cuerpo de un organismo. A estas reacciones las denominamos procesos metabólicos:

• El ciclo material, es decir, los cambios químicos de sustancia en los distintos períodos del ciclo vital: crecimiento, equilibrio e involución.
• El ciclo energético, es decir, la transformación de la energía química de los alimentos en calor cuando el animal está en reposo, o bien en calor y trabajo mecánico cuando realiza actividad muscular, así como la transformación de la energía luminosa en energía química en las plantas. En los organismos heterótrofos, la sustancia y la energía se obtienen de los alimentos. Estos actúan formando la sustancia propia para crecer, mantenerse y reparar el desgaste, suministran energía y proporcionan las sustancias reguladoras del metabolismo.

Desarrollo o Crecimiento

Una característica principal de los seres vivos es que estos crecen. Los seres vivos (organismos) requieren de nutrientes (alimentos) para poder realizar sus procesos metabólicos que los mantienen vivos. Al aumentar el volumen de materia viva, el organismo logra su crecimiento. El desarrollo es la adquisición de nuevas características.

Reproducción

Los seres vivos son capaces de multiplicarse (reproducirse). Mediante la reproducción se producen nuevos individuos semejantes a sus progenitores y se perpetúa la especie.

En los seres vivos se observan dos tipos de reproducción:

• Asexual: En la reproducción asexual, un solo organismo es capaz de originar otros individuos nuevos, que son copias exactas del progenitor desde el punto de vista genético. Un claro ejemplo de reproducción asexual es la división de las bacterias en dos células hijas, que son genéticamente idénticas. En general, es la formación de un nuevo individuo a partir de células maternas, sin que exista meiosis, formación de gametos o fecundación. No hay, por lo tanto, intercambio de material genético (ADN). El ser vivo resultante respeta las características y cualidades de sus progenitores.

• Sexual: La reproducción sexual requiere la intervención de dos individuos de sexos diferentes. Los descendientes producidos como resultado de este proceso biológico serán fruto de la combinación del ADN de ambos progenitores y, por tanto, serán genéticamente distintos a ellos. Esta forma de reproducción es la más frecuente en los organismos complejos. En este tipo de reproducción participan dos células haploides originadas por meiosis, los gametos, que se unirán durante la fecundación.

Adaptación

Las condiciones ambientales en que viven los organismos vivos cambian, ya sea lenta o rápidamente, y los seres vivos deben adaptarse a estos cambios para sobrevivir.

El proceso por el que una especie se adapta para lograr sobrevivir ante los cambios ocurridos en su medio se llama adaptación o evolución biológica. Mediante la evolución, todos los seres vivos mejoran sus características de adaptación al medio en el que se encuentran para maximizar sus probabilidades de supervivencia.

Composición Química de los Seres Vivos

Introducción

En esta unidad se aborda el estudio de los bioelementos y de las biomoléculas que constituyen a los seres vivos, así como las características del medio interno.

Todas las formas de vida, desde la célula bacteriana más pequeña hasta el hombre, están formadas por los mismos elementos químicos, que se utilizan para elaborar los mismos tipos de moléculas.

La química de la materia viva es similar en todo el mundo biológico.

Las reacciones y procesos bioquímicos también son similares en todos los organismos; ello es la prueba del origen evolutivo común de todas las formas vivas.

Al abordar el estudio de las biomoléculas, se debe recordar que se clasifican desde el punto de vista químico en:

En primer lugar, se estudiará la molécula más abundante en los seres vivos: el agua, que juega un papel fundamental en la célula, ya que debido a sus propiedades como solvente, constituye el medio en el que se producen la mayoría de las reacciones químicas intracelulares. Sus propiedades químicas y físicas han permitido a los seres vivos surgir, sobrevivir y evolucionar.

Además del agua, el elemento químico más importante en los seres vivos es el carbono, cuya estructura atómica le confiere la capacidad de formar cuatro enlaces covalentes distintos y combinarse con carbono y otros átomos, formando una gran variedad de moléculas.

Pero sobre todo, nos centraremos en analizar la estructura, propiedades y funciones biológicas de las moléculas.

La Célula

Una célula (del latín cellula, diminutivo de cellam, celda, cuarto pequeño) es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento más pequeño que puede considerarse vivo. De este modo, puede clasificar a los organismos vivos según el número de células que posean: Si solo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares. En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones (10¹⁴), como en el caso del ser humano. Las células suelen poseer un tamaño de aproximadamente 10 µm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores.

La teoría celular, propuesta en 1839 por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann, postula que todos los organismos están compuestos por células y que todas las células derivan de otras precedentes. De este modo, todas las funciones vitales emanan de la maquinaria celular y de la interacción entre células adyacentes; además, la información genética, base de la herencia, se encuentra en su ADN y permite la transmisión de esta de generación en generación.

La aparición del primer organismo vivo sobre la Tierra suele asociarse al nacimiento de la primera célula. Si bien existen muchas hipótesis sobre cómo ocurrió, usualmente se describe que el proceso se inició gracias a la transformación de moléculas inorgánicas en orgánicas bajo condiciones ambientales adecuadas; Tras esto, dichas biomoléculas se asociaron dando lugar a estructuras complejas capaces de autorreplicarse. Existen dos grandes tipos celulares: las procariotas (que comprenden las células de arqueas y bacterias) y las eucariotas (divididas tradicionalmente en animales y vegetales, si bien se incluyen además hongos y protistas, que también tienen células con propiedades características).

Historia y Teoría Celular

La historia de la biología celular ha estado ligada al desarrollo tecnológico que ha permitido su estudio. De este modo, el primer acercamiento a su morfología se inicia con la popularización de microscopios rudimentarios de lentes compuestas en el siglo XVII, se complementa con diversas técnicas histológicas para microscopía óptica en los siglos XIX y XX y alcanza un mayor nivel de resolución mediante los estudios de microscopía electrónica, de fluorescencia y confocal, entre otros, ya en el siglo XX. El desarrollo de herramientas moleculares, basadas en el manejo de ácidos nucleicos y enzimas, permitió un análisis más exhaustivo a lo largo del siglo XX.

Definición

Por tanto, podemos definir a la célula como la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento más pequeño que puede considerarse vivo. Como tal posee una membrana de fosfolípidos con permeabilidad selectiva que mantiene un medio interno altamente ordenado y diferenciado del medio externo en cuanto a su composición, sujeto a control homeostático, el cual consiste en biomoléculas y algunos metales y electrolitos. La estructura se automantiene activamente mediante el metabolismo, asegurando la coordinación de todos los elementos celulares y su perpetuación por replicación a través de un genoma codificado por ácidos nucleicos. La parte de la biología que se ocupa de ella es la citología.

Características Celulares

Las células, como sistemas termodinámicos complejos, poseen una serie de elementos estructurales y funcionales comunes que posibilitan su supervivencia; no obstante, los distintos tipos celulares presentan modificaciones de estas características comunes que permiten su especialización funcional y, por ello, la ganancia de complejidad. De este modo, las células permanecen altamente organizadas a costa de incrementar la entropía del entorno, uno de los requisitos de la vida.

Características Estructurales

La existencia de polímeros como la celulosa en la pared vegetal permite sustentar la estructura celular empleando un armazón externo.

• Individualidad: Todas las células están rodeadas de una envoltura (que puede ser una bicapa lipídica desnuda, en células animales; una pared de polisacárido, en hongos y vegetales; una membrana externa y otros elementos que definen una pared compleja, en bacterias Gram negativas; una pared de peptidoglicano, en bacterias Gram positivas; o una pared de variada composición, en arqueas) que las separa y comunica con el exterior, controla los movimientos celulares y mantiene el potencial de membrana.
• Contienen un medio interno acuoso, el citosol, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los orgánulos celulares.
• Poseen material genético en forma de ADN, el material hereditario de los genes que contiene las instrucciones para el funcionamiento celular, así como ARN, a fin de que el primero se exprese.
• Tienen enzimas y otras proteínas que sustentan, junto con otras biomoléculas, un metabolismo activo.

Características Funcionales

Las enzimas, un tipo de proteínas implicadas en el metabolismo celular.

Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son:

• Nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman, liberan energía y eliminan productos de desecho mediante el metabolismo.
• Crecimiento y multiplicación. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células idénticas a la célula original mediante la división celular.
• Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo celular en el que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia.
• Señalización. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, se mueven hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina quimiotaxis. Además, frecuentemente las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento, etc., en seres pluricelulares en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales.
• Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular.

Las propiedades celulares no tienen por qué ser constantes a lo largo del desarrollo de un organismo. Evidentemente, el patrón de expresión de los genes varía en respuesta a estímulos externos, además de factores endógenos. Un aspecto importante a controlar es la pluripotencialidad, característica de algunas células que les permite dirigir su desarrollo hacia un abanico de posibles tipos celulares. En metazoos, la genética subyacente a la determinación del destino de una célula consiste en la expresión de determinados factores de transcripción específicos del linaje celular al cual va a pertenecer, así como a modificaciones epigenéticas. Además, la introducción de otro tipo de factores de transcripción mediante ingeniería genética en células somáticas basta para inducir la mencionada pluripotencialidad, lo que sugiere que este es uno de sus fundamentos moleculares.

Metabolismo Celular

Es el conjunto de reacciones químicas a través de las cuales el organismo intercambia materia y energía con el medio.

Reacciones Celulares Básicas

Los sistemas vivos convierten la energía de una forma en otra a medida que cumplen funciones esenciales de mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas conversiones energéticas, como en todas las demás, parte de la energía útil se pierde en el ambiente en cada paso.

Los seres vivos que sintetizan su propio alimento se conocen como autótrofos. La mayoría de los autótrofos usan la energía del sol para sintetizar su alimento. Las plantas verdes, las algas y algunas bacterias son autótrofos que poseen organelos especializados donde ocurre la síntesis del alimento.

Existen otros seres que no pueden sintetizar su propio alimento. Estos seres se conocen como heterótrofos. Los animales y los hongos son ejemplo de organismos heterótrofos porque dependen de los autótrofos o de otros heterótrofos para su alimentación. Una vez que el alimento es sintetizado o ingerido por un ser vivo, la mayor parte se degrada para producir la energía que necesitan las células.

El total de todas las reacciones que ocurren en una célula se conoce como metabolismo. Aquellas reacciones en que sustancias simples se unen para formar sustancias más complejas se llaman reacciones anabólicas. Por ejemplo, las reacciones en las que la célula construye moléculas de proteínas son reacciones anabólicas.

Otras reacciones son las reacciones catabólicas, que son aquellas en las cuales sustancias complejas se degradan para convertirse en sustancias más simples. Las proteínas, los polisacáridos y otras moléculas se rompen en moléculas más sencillas mediante reacciones catabólicas.

Enzimas

Las células poseen compuestos químicos que controlan las reacciones que ocurren en su interior. La sustancia que controla la velocidad a la que ocurre una reacción química sin que la célula sufra daño alguno ni se destruya se conoce como un catalizador. Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en las células y hacen posible las reacciones.

Una enzima actúa sobre una sustancia específica llamada sustrato. Recibe su nombre del sustrato sobre el cual actúa. A una parte del nombre del sustrato se le añade el sufijo -asa. Ejemplo: Para los sustratos como la Maltosa, Urea o Lactosa, las enzimas correspondientes serán Maltasa, Ureasa y Lactasa, respectivamente.

Desnaturalización de las Proteínas: Es la ruptura de enlaces en las moléculas proteicas por efecto de la alta temperatura.

Modelo Enzima-Sustrato

La forma y la estructura de una enzima determinan la reacción que puede catalizar. La enzima se une al sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (E-S), de tal manera que la enzima y el sustrato se ajustan perfectamente. El lugar donde la enzima recibe al sustrato se le conoce como sitio activo.

Respiración Celular

En las células vivas, la glucosa se degrada y se libera energía; parte de esta energía se usa para sintetizar ATP. En la mayoría de las células, este proceso necesita oxígeno. La degradación de la glucosa mediante el uso del oxígeno o alguna otra sustancia inorgánica se conoce como respiración celular. La respiración celular que necesita oxígeno se llama respiración aeróbica.

En la respiración aeróbica, la degradación de glucosa comprende una serie de reacciones. Sin embargo, la reacción general se puede representar con la siguiente ecuación:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP

(glucosa) (oxígeno) (dióxido de carbono) (agua) (trifosfato de adenosina)

Etapas de la Respiración Aeróbica

Glucólisis

En la primera etapa, la glucosa se parte en dos moléculas de ácido pirúvico. El ácido pirúvico es un compuesto de tres carbonos. En esta reacción, se usan dos moléculas de ATP, pero se producen cuatro moléculas de ATP. El NAD se transforma en NADH. La producción neta es de 2 ATP.

La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Cada molécula de ácido pirúvico se convierte en Acetil Coenzima A, un compuesto de dos carbonos. Este se une a un compuesto de cuatro carbonos, iniciando una serie de reacciones que completan la degradación de la glucosa en CO₂ y agua.

Cadena Respiratoria

Fotosíntesis

Fermentación

Es otra forma de degradar la glucosa utilizando sustancias orgánicas como aceptores finales de electrones.

Se puede dar en dos tipos:

La fermentación alcohólica: en ella se obtiene alcohol etílico, dióxido de carbono y 2 ATP.

La fermentación láctica: en ella se obtiene ácido láctico + 2 ATP.