Biología 2.

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Reproducción

Te has preguntado, ¿Cuál es la finalidad de que las células se dividan para crear más células? ¿Qué procesos ocurren en tu cuerpo que requieren que se formen nuevas células? ¿Todos los organismos se reproducen sexualmente? Las respuestas a estas interrogantes involucran procesos biológicos muy complejos relacionados con la formación de nuevas células a partir de células preexistentes.

Tipos de reproducción en los seres vivos

Una de las características de la vida es la habilidad de los organismos vivos para reproducirse y con ello, se da origen a descendientes con características Iguales.

Los que se reproducen asexualmente producen clones, es decir, una descendencia que es genéticamente idéntica a ellos mismos, por lo tanto, en la reproducción asexual, un solo individuo es el único padre y transmite copias de todos sus genes a su descendencia.

La reproducción, representa un mecanismo vital para la preservación de toda especie que habita nuestro planeta.

El Ciclo Celular.

La habilidad de los organismos para producir más de su especie es una de las características que mejor distinguen a los organismos vivos de los organismos inertes.

Una función crucial de la división celular es la transmisión del material genético idéntico de la célula a su descendencia.

El ciclo celular eucarionte está dividido en dos fases importantes: interfase y mitosis o propiamente la división celular.

Interfase

Antes de que la célula se divida en dos células hijas, es necesario que el ADN se replique, es decir, que cada cromosoma sea convertido “de una sola molécula de ADN a dos moléculas idénticas de ADN”.

La replicación del ADN ocurre en la interfase, que es, un periodo muy activo en la vida de una célula, donde además de la replicación del ADN también se sintetizan proteínas y se incrementa en el número de mitocondrias y cloroplastos.

La interfase se subdivide en tres fases: la fase G1, la fase S y la fase G2. En la fase S la célula replica el material genético en su núcleo. Algunas células no llevan a cabo el ciclo celular porque una vez que se han originado no necesitan dividirse y en lugar de entrar en G1 pasan temporal o permanentemente a una fase de reposo metabólico llamada G0.

Mitosis

Las nuevas células, genéticamente idénticas a la célula madre, son creadas a través de un proceso llamado mitosis que involucra la división del núcleo celular eucariótico para formar dos núcleos genéticamente idénticos.

Por lo tanto, la mitosis permite a la célula dividirse en dos células hijas idénticas (clones). Después de la división celular, las células hijas vuelven a crecer y dividirse, o bien se diferencian y se especializan en determinadas funciones, como la contracción muscular (células musculares), el combate de infecciones (leucocitos) o la producción de enzimas digestivas (células del páncreas y el hígado).

Aunque la mitosis es un proceso continuo, está dividida en cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase.

Profase

Los cromosomas se compactan y acortan por un proceso llamado súper enrollamiento.

Inicia la formación de los microtúbulos del huso mitótico. Al final de la profase la membrana nuclear empieza a fragmentarse.

Metafase

Los microtúbulos del huso mitótico se enlazan a los centrómeros de cada cromosoma para posicionar a las cromátidas hermanas en el ecuador de la célula en un “juego de estira y afloja”.

Anafase

Al inicio de la anafase el huso mitótico separa a las cromátidas hermanas y las posiciona en los polos opuestos de la célula. Ahora las cromátidas hermanas se convierten en cromosomas independientes. De esta manera la mitosis produce dos núcleos genéticamente idénticos.

Telofase

Como los cromosomas hijos son copias idénticas de los cromosomas originales, cada agrupamiento de cromosomas que se forma en los polos opuestos de la célula contiene una copia de todos los cromosomas que estaban en la célula progenitora. En esta etapa final de la mitosis los microtúbulos del huso se desensamblan y desaparecen y se forma una envoltura nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas.

Meiosis y el ciclo de vida sexual

En la reproducción sexual (meiosis) se combinan los genes de los padres para producir descendientes únicos desde el punto de vista genético, lo cual constituye una ventaja evolutiva.

La meiosis es el mecanismo que permite a los organismos eucariontes reproducirse sexualmente. La meiosis, reduce a la mitad el número de cromosomas de una célula diploide.

Por ejemplo, las células humanas precursoras de los espermatozoides u óvulos tienes 23 pares de cromosomas (células diploides), y cuando éstas se dividen a través de la meiosis dan origen a gametos (espermatozoides y óvulos) con 23 cromosomas, uno de cada par (células haploides). La meiosis evolucionó a partir de la mitosis, así que la mayoría de los acontecimientos que ocurren en ambas son muy parecidos.

A diferencia de la mitosis, en la meiosis ocurren dos divisiones nucleares. La primera, llamada meiosis I, separa los pares de cromosomas homólogos y envía uno de cada par a las nuevas células hijas. Ahora bien, cada cromosoma homólogo sigue constando de dos cromátidas. En la segunda división, llamada meiosis II, las células hijas nuevamente se dividen y las cromátidas hermanas se separan. Por lo tanto, al final de la meiosis hay cuatro células haploides hijas.

Gametogénesis

Todas las células reproductoras o gametos se originan por meiosis. Sin embargo, cada tipo de gameto, masculino o femenino sigue procesos especiales que culminan con una maduración. El inicio de la meiosis ocurre en el momento en que el organismo alcanza la madurez sexual. Sin embargo, en el caso de los mamíferos, la miosis inicia en momentos diferentes para el sexo masculino y el femenino. En los machos, las espermatogonias o células precursoras de los espermatozoides se dividen por meiosis hasta que el individuo alcanza la pubertad o madurez sexual. En las hembras, en cambio, las ovogonias, antecesoras de los óvulos, realizan la primera parte de la meiosis durante el desarrollo embrionario; luego se detienen en la profase I. La meiosis se reactiva cuando la hembra llega a la pubertad.

Existen dos tipos de gametogénesis, la espermatogénesis que origina gametos masculinos, espermatozoides, y la ovogénesis que produce gametos femeninos. Los gametos masculinos suelen tener poco citoplasma para ser lo más pequeños y móviles posibles, los femeninos son muy grandes, acumulan muchos nutrimentos en su gran citoplasma y casi no se mueven, en realidad esperan a que el espermatozoide se encuentre con ellos.

Gametogénesis humana

Espermatogénesis. Los testículos son las glándulas donde se producirán los espermatozoides. Cuando el individuo ha llegado a una fase de desarrollo en que ya es apto para la reproducción, estas células comienzan su reproducción por meiosis. Así, cada espermatogonia se transforma en espermatocito primario al completar la profase I y, por lo tanto, haberse realizado el entrecruzamiento cromosómico entre las cromáticas homólogas. Prosigue con la metafase I, anafase I y telofase I; de esta fase resultan las primeras dos células hijas, llamadas espermatocitos secundarios, los cuales sufren la meiosis II para dar cuatro células haploides denominadas espermátidas. Estas células todavía tienen que sufrir una transformación estructural que comienza por la pérdida total de su citoplasma y la adquisición de una cola o flagelo, con lo que quedan ya como células funcionales.

Ovogénesis. En las hembras de los mamíferos la ovogénesis inicia durante el desarrollo embrionario en los ovarios del feto. Un grupo de células llamadas ovogonias comienzan a dividirse por mitosis y producen ovocitos primarios. Los ovocitos primarios empiezan la meiosis, pero se interrumpe en la metafase I. Antes de que el desarrollo embrionario termine, ya no hay ovogonias en los ovarios y sólo quedan los ovocitos primarios que la hembra tendrá por el resto de su vida. Todos los ovocitos primarios detienen el proceso de división antes de completar la primera división meiótica.

En las hembras humanas esto ocurre antes de llegar al tercer mes de desarrollo embrionario. Después del nacimiento, los ovocitos primarios empiezan a acumular sustancias nutritivas y por tanto aumentan mucho su tamaño. Así permanecen hasta que la mujer alcanza la pubertad. Entonces, mes con mes un ovocito reactiva la meiosis I y genera dos células diploides.

Las Leyes de la Herencia

En ocasiones y por simple curiosidad, todos nos hemos preguntado ¿Por qué existen razas de personas en el mundo? ¿Por qué algunas personas de ciertos lugares son te tes blanca y algunas otras su piel es más oscura?, ¿también, nos preguntamos por qué, en algunas regiones de nuestro planeta las personas tienen los ojos rasgados?, incluso, dentro de los miembros de una misma familia, ¿Por qué tenemos diferencias?

Todas estas características que podemos apreciar en nosotros mismos son debido a que el material genético de nuestros padres se ha entrecruzado para dar lugar a una mezcla de estas características en donde predominan los genes más “fuertes” o dominantes y así, a lo largo de la historia hemos evolucionado gracias a este fenómeno biológico.

El ADN. El ácido desoxirribonucleico, llamado ADN, es una biomolécula presente en los cromosomas de todas las células y contiene la información genética. El ADN posee el código que determina todas las características y el funcionamiento de un individuo, además es el encargado de transmitir la información de los padres a los hijos, por eso también se le conoce como molécula de la herencia.

Un gen es un segmento de ADN con la información necesaria para producir una determinada proteína. El ADN contiene más o menos 30,000 genes, cada uno contiene información precisa sobre las características de la especie humana. El lugar que ocupa un gen dentro de un cromosoma se llama locus.

Los cromosomas son estructuras que se encuentran en el núcleo de las células que transportan fragmentos largos de ADN. Los cromosomas vienen en pares. Normalmente, cada célula en el cuerpo humano tiene 23 pares de cromosomas (46 cromosomas en total), de los cuales la mitad proviene de la madre y la otra mitad del padre.

Leyes de Mendel

Juan Gregorio Mendel es considerado como el precursor de la genética. Fue un monje austriaco, que a mediados del siglo XIX descubrió los patrones de la herencia realizando experimentos al cruzar chicharos comestibles.

Primera ley de Mendel: ley de la uniformidad

Establece que cuando se cruzan dos individuos de raza pura, para un determinado carácter, los descendientes de la primera generación son todos iguales entre sí (igual fenotipo e igual genotipo) e iguales (en fenotipo) a uno de los progenitores. Los individuos de esta primera generación (F1) son heterocigotos o híbridos, pues sus genes alelos llevan información de las dos razas puras u homocigóticas: la dominante, que se manifiesta, y la recesiva que no lo hace.

Segunda ley de Mendel: ley de la segregación independiente de los caracteres

El carácter hereditario que se transmite como una unidad que no se combina, se pierde al pasar de una generación a otra, sólo se segrega o se separa.

Cuando el individuo de fenotipo semilla amarilla (según experimento de Mendel) y genotipo Aa forme los gametos, se separan los alelos, de tal forma que en cada gameto sólo habrá uno de los dos alelos. Los dos alelos distintos para el color de la semilla presente en los individuos de la primera generación filial no se han mezclado ni desaparecido, simplemente se manifiesta en uno solo de los dos.

Biotecnología.

La Biotecnología es el uso o alteración de organismos, células o moléculas biológicas para lograr objetivos prácticos y específicos.

La biotecnología es una técnica de la cual, el hombre ha utilizado desde hace algunos miles de años y la ha aprovechado para elaborar productos fermentados, realizar cruzas selectivas para obtener mejor ganado, mejorar razas de perros y hasta los mismos injertos en las plantas para que sean más grandes o más resistentes.

En la actualidad, esta ciencia se ha valido de la ingeniería genética para suprimir, agregar o modificar genes específicos a través de la manipulación del ADN para obtener diversos beneficios fundamentales como la ciencia forense y el diagnóstico de trastornos hereditarios.

La Biotecnología es un área multidisciplinaria que emplea la Biología, Química y procesos con gran uso en la agricultura, farmacología, ciencia de los alimentos, ciencias forestales y medicina. El primero que usó este término fue el ingeniero húngaro Karl Ereky en 1919.

Una definición aceptada internacionalmente es la siguiente: La Biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos.

La biotecnología no es una ciencia nueva, desde hace siglos el hombre se ha beneficiado de la manipulación de organismos, aun antes de que recibiera el nombre actual, ejemplos de biotecnologías antigua o tradicionales son:

• Fermentación de harina por levadura para producir pan.

• Enzimas digestivas animales y microorganismos para cuajar y fermentar la leche para la producción de quesos.

• Fermentación de jugos vegetales por microorganismos para fabricar vinos y licores.

La Biotecnología moderna surge en la década de 1980 y usa técnicas de la ingeniería genética para transferir o modificar genes de un microorganismo.

Las aplicaciones de la Biotecnología son para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre no sólo en la agricultura y ganadería, además en la industria farmacéutica, medio ambiente y medicina.

La Biotecnología se considera como una técnica de manipulación del ADN para la obtención de individuos que den lugar a productos de interés o a mejorar la producción.

Teoría de la Evolución.

Desde tiempos ancestrales y a lo largo de la historia han surgido preguntas sobre el origen de la vida y de las especies, así como la evolución de las mismas; al principio, las respuestas fueron en torno a la religión, donde se creía que todos los organismos fueron creados simultáneamente por Dios; sin embargo, en la Biología moderna los científicos han rechazado este principio fundamental basándose en ideas que han desarrollado a lo largo de la historia.

La evolución es la teoría unificadora que explica el origen de las diversas formas de vida como resultado de cambios en su composición genética. La teoría de la evolución postula que los organismos modernos son modificaciones de formas de vida preexistentes.

Generalmente, se denomina evolución a cualquier proceso de cambio en el tiempo. En el contexto de las Ciencias de la vida, la evolución es un cambio en el perfil genético de una población de individuos que puede llevar a la aparición de nuevas especies, a la adaptación a distintos ambientes o a la aparición de novedades evolutivas. En la actualidad, se entiende por evolución biológica el proceso de cambio y diversificación de los organismos en el tiempo, y afecta todos los aspectos de su vida: morfología, fisiología, comportamiento y ecología.

A pesar de contar con los fósiles como evidencia, muchos científicos no aceptaban que las especies cambiaban o que surgían con el paso del tiempo. Así, con el fin de mantener la idea de la creación por parte de una divinidad, pero explicando la extinción de algunas especies, George Cuvier, paleontólogo francés (1769-1832) propuso la teoría del catastrofismo. Esta teoría explica que los cambios biológicos y geológicos de nuestro planeta se debían a cambios violentos como las catástrofes (terremotos, meteoritos, inundaciones, volcanes, entre otros.

La hipótesis de Cuvier y las catástrofes fueron cuestionadas por el geólogo Charles Lyell (1797-1875) y James Hutton (1726-1797), quienes consideraban que las explicaciones divinas o bíblicas son poco científicas y por lo tanto falsas. La teoría del uniformismo se opone totalmente al catastrofismo, defiende la existencia de procesos naturales como la sedimentación, vulcanismo y la erosión, que actuaban de forma muy lenta, uniforme y sin interrupción debido a fuerzas que operaban sobre el relieve de la Tierra durante mucho tiempo, estas fuerzas se consideran fijas y constantes.

El primer científico que propuso un mecanismo de evolución fue Jean Baptiste Lamarck (1744-1829), quien estudió la secuencia de los organismos en las capas de las rocas, fósiles más antiguos tenían formas más simples y fósiles más recientes tienden a ser más complejos y parecidos a los actuales. Además, Lamarck planteó que las especies van cambiando sus características a lo largo del tiempo de una manera gradual, mostrando una tendencia hacia la complejidad y la perfección, esta teoría se basa en dos suposiciones:

  • Ley del uso y del desuso: cuando una parte del cuerpo se usa repetidamente crece y se desarrolla, en cambio, si no se usa se atrofia, se debilita lentamente y llega a desaparecer.
  • Ley de la herencia de los caracteres adquiridos: cualquier animal puede transmitir a sus descendientes aquellos caracteres que ha adquirido durante su vida.

Darwin y Wallace

A mediados del siglo XIX, concluyeron que las especies existentes eran resultado de la evolución de sus predecesoras.

El razonamiento que condujo a Charles Darwin (1809-1882) y Alfred Russel Wallace (1823-1913), cada quien, por su lado, a su propuesta de proceso de evolución resulta ser muy simple, y descubrieron que algunas especies sólo cambiaban en algunos aspectos.

Darwin y Wallace propusieron, cada uno por separado, que los individuos de cada generación difieren ligeramente de los miembros de la generación anterior, lo que resulta a lo largo del tiempo como grandes transformaciones.

La teoría evolutiva o darwinismo se basa en cuatro postulados acerca de las poblaciones.

1. Los individuos varían en una población. Cada uno de los integrantes de una población difiere de los demás en muchos aspectos.

2. Los caracteres se heredan de padres a descendientes. Al menos algunas de las diferencias entre los miembros de una población se deben a características que pueden transmitirse de los progenitores a la descendencia.

3. Algunos individuos no logran sobrevivir y reproducirse. En cada generación, algunos individuos de una población sobreviven y se reproducen con éxito y otros no.

4. La supervivencia y la reproducción no están determinadas por el azar. La supervivencia y la reproducción dependen de sus características. Los individuos con caracteres de ventaja sobreviven más tiempo y dejan mayor número de descendencia, un proceso llamado selección natural.

Principio de la selección natural y su relación con la genética de poblaciones.

La selección natural da forma a la evolución de las poblaciones, donde los organismos dependen de la adaptación al medio ambiente cambiante; es decir, los mejor adaptados desplazan a los menos adaptados.

La selección natural favorece caracteres que aumentan la supervivencia de sus poseedores sólo en la medida que el mejoramiento en la supervivencia conduce a un mejoramiento en la reproducción. Una característica que mejore la supervivencia puede aumentar la probabilidad de que el individuo sobreviva el tiempo suficiente para reproducirse o alargar el lapso de vida.

Principio de Hardy-Weinberg

El principio de Hardy-Weinberg establece que las frecuencias de alelos permanecerán constantes con el paso del tiempo en la poza génica de una población grande, donde haya apareamiento aleatorio más no mutaciones ni flujo génico ni selección natural. Además, Hardy y Weinberg demostraron que, si las frecuencias alélicas no cambian en una población en equilibrio, la proporción de individuos con un genotipo específico también permanecerá constante.

Pocas o ninguna de las poblaciones naturales están realmente en equilibrio, sin embargo, el principio de Hardy-Weinberg sirve de punto de partida.

La teoría de la genética de poblaciones predice que el equilibrio de Hardy-Weinberg puede alterarse por las desviaciones de cualquiera de sus cinco condiciones. De esta manera, es posible predecir cinco causas principales del cambio evolutivo: mutación, flujo génico, población pequeña, apareamiento no aleatorio y selección natural.

La recombinación genética. Es el entrecruzamiento de los cromosomas para intercambiar alelos de los cromosomas homólogos generando infinidad de combinaciones de alelos en los cromosomas. En los organismos con reproducción asexual se presenta una fuente importante de variabilidad cuando intercambian plásmidos de una célula a otra o cuando un virus inserta su material genético en una bacteria.

El flujo génico. Es el paso de genes de una población a otra a través de la migración. El flujo génico depende del tamaño y distribución de la población, de la cantidad de individuos que emigran y de los inmigrantes y del grado de aislamiento de la población.

La deriva génica. Es un cambio al azar en las proporciones de los alelos de la población. Cuando una población es muy pequeña, los cambios azarosos de las proporciones tienden a disminuir la variabilidad genética; pero cuando la población es grande, los cambios azarosos incrementarán la variabilidad de los individuos. De este modo, la variabilidad es un elemento clave para que la selección natural dirija el cambio evolutivo.

Las mutaciones. Son también fuente de variabilidad en las poblaciones. Las mutaciones son cambios en la información genética, muchas veces, letales.

Las mutaciones son provocadas por la radiación, las sustancias químicas mutagénicas o de forma aleatoria. La variación provocada por las mutaciones y la causada por los procesos descritos, son la fuente medular del cambio evolutivo y la causa principal de la diversidad biológica.

Organización del cuerpo. (Tejidos, órganos, aparatos y sistemas)

Para que un organismo mantenga su homeostasis, es necesario que todas sus partes o niveles de organización trabajen en conjunto. El cuerpo debe realizar muchas funciones simultáneas que coordinen la función de las células, éstas a su vez se organizan entre sí para dar lugar a los tejidos, éstos a los órganos y en conjunto los órganos formarán sistemas y aparatos.

Un tejido es la asociación desde docenas hasta millones de células que tienen la misma estructura y desempeñan una función en particular. Los tejidos son los elementos básicos de un órgano y éstos a su vez realizan funciones complejas, por ejemplo, el estómago, el hígado, el intestino delgado, la vejiga, entre otros. Cuando los órganos se asocian para funcionar de manera coordinada componen sistemas orgánicos o aparatos, los cuales tienen una función vital para cada cuerpo, por ejemplo, los aparatos digestivos, muscular y respiratorio.

Bibliografía

Biología 2, Cuarto Semestre. Telebachillerato Comunitario.

Patricia González Pérez, María del Carmen Verónica Uriarte Zambrano. D.R. Secretaria de Educación Pública. 2015, Impreso en México.

Biología II, Formación Básica. Cuarto Semestre

Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora. 2015

Principios de Anatomía y Fisiología

Gerard J. Tortora, Brayan Derrickson. Editorial Medica Panamericana S.A de C.V. México D.F. 2006, cuarta reimpresión 2010.

HERNAN ESQUER RODRIGUEZ

HERNAN ESQUER RODRIGUEZ

Hernan Esquer Rodriguez, Químico Biólogo con Especialidad en Tecnología de Alimentos, Egresado de la Universidad de Sonora de la Facultad de Ciencias Químico Biológicas. Actualmente trabajo como docente en la Preparatoria Municipal de Nogales "Lobos", Universidad del valle de México "UVM" y en el Colegio de Bachilleres del estado de Sonora "COBACH", Nogales 1 y 2