SISTEMAS BIOLÓGICOS Un sistema es un conjunto de componentes y sus relaciones entre ellos, que constituye un todo. Estamos vivos porque cumplimos las funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. HOMEOSTASIS Los organismos multicelulares poseen mecanismos que coordinan la respuesta a los cambios ambientales creando un medio interno estable. Este mantenimiento de las constantes fisiológicas en equilibrio dinámico es lo que se conoce como homeóstasis. Viene de sangre y va a ser ésta la que regule las funciones vitales, va a ser quien realice todo el conjunto de reacciones químicas. LA NUTRICIÓN Conjunto de procesos mediante los cuales se realiza un intercambio de materia y energía con el medio ambiente. −Tipos de nutrición: Los organismos que utilizan la luz solar como fuente de energía se denominan fotosintéticos, y los que utilizan sustancias inorgánicas u orgánicas se llaman quimiosintéticos. Los organismos que usan como fuente de materia moléculas inorgánicas reciben el nombre de autótrofos, y los que emplean moléculas orgánicas se denominan heterótrofos. PROCESOS CONSTITUYENTES DE LA NUTRICION I.−) Ingestión del alimento Se produce cuando existen estructuras que proporcionan una captura e introducción del alimento en el cuerpo. En el mundo animal existen muchas modalidades para ingerir tanto líquidos como sólidos. En las plantas, se produce una absorción de alimentos inorgánicos o nutrientes ( agua, sales minerales y dióxido de carbono ) directamente del medio II.−) Digestión del alimento En los casos en los que se ingiere alimento orgánico, es frecuente un proceso degradativo para producir moléculas más pequeñas y simples. III.−) Respiración Se requiere de un proceso que garantice el suministro de oxígeno, a partir del aire o del agua que pueda ser utilizado en la respiración celular para la combustión de nutrientes en energía. IV.−) Transporte Los nutrientes resultantes de la digestión ( en los animales ) o de la absorción y de la fotosíntesis ( en las plantas ), han de ser distribuidos por todo el organismo para su utilización por las diferentes células. Ello hace necesario un sistema circulatorio. 1 V.−) Metabolismo Los nutrientes son transportados según diferentes reacciones químicas para el buen funcionamiento de la célula, y por tanto, del organismo multicelular. VI.−) Excreción Se eliminan de las células aquellos productos de desecho. APARATO DIGESTIVO MODELOS DE APARATOS DIGESTIVOS EN INVERTEBRADOS El modelo más simple de digestión es el realizado por las esponjas. No existen estructuras especializadas en realizar la digestión, sino que es efectuada en el interior de las células llamadas amebocitos y coanocitos, ambas existentes en la pared de la esponja. Por lo tanto se trata de una digestión intracelular. En el grupo de los pólipos, medusas y anémonas aparece una cavidad gastrovascular en la que los alimentos, capturados e introducidos por el único orificio que poseen son digeridos parcialmente, terminándose la digestión en las células de la pared que constituyen la gastrodermis; los nutrientes se distribuyen por la fusión a las células vecinas. Este modelo es intracelular y extracelular, y se califica de digestión mixta. En los gusanos anillados encontramos un tubo digestivo con boca y ano, y en el que se diferencian una serie de órganos como la boca, faringe, buche, esófago, molleja e intestino. Este modelo es totalmente una digestión extracelular. En los insectos es donde el aparato digestivo alcanza su mayor complejidad con aparatos bucales muy especializados, ya presentan glándulas salivares que vierten a la boca, etc... En la bolsa gástrica es donde se absorben la mayoría de los nutrientes. MODELO DE APARATO DIGESTIVO DE VERTEBRADOS Los alimentos, a lo largo de su recorrido por el tubo digestivo se ven sometidos a los siguientes procesos: I.−) Ingestión y masticación Se lleva a cabo en la boca, la cual está delimitada por un par de mandíbulas en las que encontramos los dientes, que sirven para cortar, desgarrar y triturar el alimento. Durante la masticación de los alimentos, estos son humedecidos por la saliva. La saliva además cumple otra función al contener ptialina o amilasa salivar, la cual comienza la fragmentación química del almidón. La ingestión no termina hasta que el alimento no es objeto de deglución pasando de la boca a la faringe, y de ésta al esófago, el cual atraviesa el diafragma y desemboca en el estómago. La deglución comienza con un acto voluntario pero una vez iniciado continua de modo involuntario, como un reflejo. II.−) Digestión Es un proceso degradativo de tipo químico por el cual los alimentos son atacados por enzimas existentes en jugos que rompen enlaces obteniéndose moléculas más sencillas, que pueden ser absorbidas y pasar a la sangre o linfa. Comienza en la boca por efecto de la saliva, pero la degradación principal ocurre en el estómago y en el intestino delgado. 2 −Digestión estomacal Al llegar los alimentos al estómago, impulsados por los movimientos del esófago, se ven sometidos por la acción del jugo gástrico, producido por la mucosa de la pared estomacal. Este está formado por ácido clorhídrico, mucina y pepsina. La pepsina se encarga de desintegrar las proteínas en pequeñas moléculas. El HCL mata las bacterias que entran con el alimento. El papel de la mucina gástrica es evitar que el HCL destruya las paredes del estómago; tiene una función protectora. En el estómago el alimento termina por convertirse en una masa semilíquida llamada quimo. −Digestión intestinal El quimo pasa al intestino delgado a través del píloro que separa a éste del estómago. En su primera porción denominada duodeno se completa la degradación química iniciada en la boca y continuada en el estómago mediante tres tipos de secreciones: JUGO INTESTINAL: En la mucosa del duodeno existen dos grupos de células que segregan mucinas, un líquido viscoso que tiene función protectora y lubricante; y el jugo intestinal que contiene enzimas ( amilasa, sacarasa, maltasa, lactasa, lipasa, amino−peptidasa, enteroquinasa ) que hidrolizan proteínas, lípidos y glúcidos. JUGO PANCREÁTICO: Lo recibe el duodeno del páncreas, contiene bicarbonato sódico ( para neutralizar la acidez del quimo ) y una serie de enzimas como la amilasa pancreática, que continúa con la degradación sobre el almidón que inició la amilasa salivar en la boca, formando disacáridos; lipasas, que hidrolizan los lípidos produciendo glicerol y ácidos grasoso; las proteasas, que hidrolizan las proteínas, además de otras enzimas encargadas de destruir los ácidos nucleicos de los núcleos celulares de las células del alimento. BILIS: La produce el hígado, almacenándola en la vesícula biliar, y desemboca en el intestino. Las sales biliares favorecen la digestión de las grasas fragmentando los lípidos en gotas sobre las que actuarán las lipasas. Posee bicarbonato sódico para neutralizar la acidez del quimo estomacal. Cumple un función importante: elimina las sustancias no hidrosolubles que no pueden excretarse por el riñón. Después de la actuación de las enzimas pancreáticas e intestinales queda un líquido viscoso y alcalino denominado quilo. Las actividades digestivas están reguladas por hormonas. III.−) Absorción. Una vez los alimentos han sido degradados y se ha formado el quilo, los nutrientes útiles como monosacáridos, glicerol, ácidos grasos,..., son absorbidos a través de la pared intestinal para integrarse en el torrente sanguíneo o en el linfático. Esta absorción es realizada a veces por difusión, por transporte activo e incluso por ósmosis como en el caso del agua. El intestino está recubierto por vellosidades, recubiertas por células que a su vez tienen diminutas proyecciones denominadas microvellosidades. La absorción de agua y sales minerales se continúa en el intestino grueso produciendo un endurecimiento de las heces en su trayecto hacia el recto. La flora bacteriana se encuentra en el intestino. IV.−) Egestión Los excrementos están formados por bacterias, la mayoría muertas, fibras de celulosa, sustancias indigeribles, 3 y bastante agua. Todo ello lubricado con las mucosidades intestinales. Este material es eliminado por el ano en el acto de la defección o egestión. ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DEL APARATO DIGESTIVO BOCA Cavidad hueca que está entre dos huesos: mandíbula y paladar , y recubierta por el tejido epitelial plano, donde se secreta una sustancia ( mucosa ), −Glándulas salivares: Glándulas de secreción interna. Lubrican el tubo alimenticio . −Parótida: Segregan sustancias. −Saliva: Es una mezcla de agua, enzimas y pequeñas proporciones de sales minerales. 4 FARINGE Común al aparato digestivo y al respiratorio ESÓFAGO Tubo musculoso de unos 25 cm de largo, el cual atraviesa el diafragma y desemboca en el estómago. También puede decirse que es un tubo que va desde el istmo de las fauces hasta el cardias ( principio del estómago ). Sus paredes contienen fibras musculares para poder moverse cuando desciende el alimento, y está recubierto por tejido epitelial. ESTÓMAGO Las paredes del estómago están arrugadas, y puede medir alrededor de 10 cm. Recubierto por tejido epitelial. En su interior contiene multitud de glándulas secretoras de ácido clorhídrico, y glándulas gástricas que segregan enzimas gástricas ( amilasa gástrica y peptilasas ). El estómago está cerrado por un esfínter unido al intestino delgado. INTESTINO DELGADO Está tapizado en su interior por tejido epitelial con microvellosidades, las cuales sirven para la absorción intestinal. Hay multitud de glándulas que segregan mucus: sustancia protectora. El duodeno recibe del páncreas el jugo pancreático que contiene bicarbonato sódico para neutralizar la acidez del quimo y toda una serie de enzimas como la amilasa pancreática que continua la degradación sobre el almidón que inició la amilasa salivar en la boca, formando disacáridos; las lipasas que hidrolizan los lípidos produciendo glicerol y ácidos grasos, y tres grupos de enzimas: proteasas, que hidrolizan los proteínas, además de otra enzima encargada de destruir los ácidos nucleicos de los núcleos celulares de las células del alimento. Tiene tres partes: duodeno, yeyuno e íleon. HÍGADO Segrega bilis, que almacena en la vesícula biliar, la cual lo deposita en el intestino. −Posee sustancias como las sales biliares que favorecen la digestión de las grasas: separa las gotas de grasa para que las enzimas actúen. −Posee bicarbonato sódico para neutralizar la acidez del quimo. −Además, la bilis cumple otra función importante, elimina aquellas sustancias no hidrosolubles que no pueden excretarse por el riñón, entre ellos los pigmentos biliares responsables del color de las heces. Funciones del hígado 5 −Regulación del azúcar ( mantiene niveles constantes ) −Depuración de la sangre ( elimina sustancias tóxicas ) −Producción de calor ( mantiene la temperatura ) −Producción de bilis ( interviene en la digestión ) INTESTINO GRUESO Partes del intestino grueso: −Colon ascendente −Colon transverso −Colon descendente −Sismoideo¿? El intestino grueso está aboyado y tapizado con un epitelio con pocas vellosidades pero con muchas glándulas. La flora bacteriana se encuentre en el intestino grueso. La flora bacteriana actúa sobre las fibras. La absorción de agua y sales minerales se continua en el intestino grueso, produciendo un endurecimiento de las haces en su trayectoria hacia el recto. ALIMENTOS: Son los productos que ingerimos. NUTRIENTES: Son los productos de la digestión capaces de atravesar las membranas celulares para llegar a la célula. APARATO RESPIRATORIO −Intercambio de gases. −Proceso de oxidación de moléculas orgánicas que acontece en las mitocondrias de todas las células eucariotas. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS RESPIRATORIOS I.−) Difusión directa El oxígeno penetra en las células y se distribuye en ellas por simple difusión, e igual le ocurre al dióxido de carbono en su salida de las células. Así, los organismos unicelulares y los multicelulares de pequeño tamaño consiguen el intercambio gaseoso por difusión sin ningún problema, por tanto, no necesitan ninguna estructura especializada. 6 II.−) Respiración cutánea. Es un sistema primitivo que practican muchos invertebrados como las lombrices de tierra, e incluso algunos vertebrados como los anfibios. Estos animales presentan una red de capilares sanguíneos cerca de la piel, de modo que el oxígeno y el dióxido de carbono se difunden directamente a través de la pared del cuerpo y entran y salen de la sangre. III.−) Respiración branquial Los bronquios tienen un epitelio unicelular que permite la difusión de oxígeno del agua a los capilares sanguíneos del sistema circulatorio, y del CO2 en sentido contrario. Se aprecia en artrópodos como los crustáceos, en moluscos acuáticos y en vertebrados como peces y en algunos anfibios. IV.−) Respiración traqueal En estos animales existe una red de tubos quitinosos llamados tráqueas que vuelcan el aire directamente sobre los tejidos. Este sistema de tubos se abre al exterior por unos orificios llamados espiráculos. V.−) Respiración pulmonar. Los pulmones son cavidades internas en las que se absorbe el oxígeno contenido en el aire. El oxígeno puede obtenerse mucho más rápidamente del aire a medida que es utilizado por los organismos que respiran. Aunque los pulmones son una invención de los vertebrados, los podemos encontrar en algunos invertebrados como los caracoles terrestres. Los anfibios y reptiles tienen pulmones simples con pequeñas áreas superficiales internas. Las aves presentan unos pulmones con cavidades anexas llamadas sacos aéreos que comunican con los pulmones y con los huesos. Los de los mamíferos son los más complejos y presentan un enorme número de cavidades llamadas alvéolos. Un rasgo importante de los pulmones de todos los vertebrados es que el intercambio de aire con la atmósfera ocurre por flujo global por lo que se les denomina pulmones de ventilación. En éstos el aire entra por las fosas nasales para continuar por la faringe y la laringe en la que están las cuerdas vocales, responsables de la emisión de los sonidos. Siguiendo el camino del aire inspirado llegaríamos a la tráquea, tubo membranoso revestido de células epiteliales ciliadas. La tráquea se bifurca en dos conductos, los bronquios, que se subdividen en tubos cada vez más finos llamados bronquíolos. Ambos están tapizados de células ciliadas que empujan continuamente la mucosa que se produce en otras células epiteliales. Alrededor del extremo de los bronquíolos se disponen racimos de pequeñísimas cavidades ( entre 0.1 y 0.2 mm de diámetro ), que están rodeados de capilares sanguíneos. Ambas estructuras tienen sus paredes formadas por una solo capa de células epiteliales para facilitar el intercambio de gases por difusión. −Faringe: Vía común al aparato respiratorio y al digestivo. −Laringe: En ella se encuentran las cuerdas vocales ( pliegues ) que modulan los sonidos con la lengua y labios. Las membranas que tapizan las fosas nasales se llaman pituitaria amarilla y pituitaria blanca. Están plagadas de receptores sensoriales para los olores. 7 La nariz se comunica con la tráquea a través de las vegetaciones, y los cornetes, que son mucosas que obstruyen las fosas nasales. Los pulmones son esponjosos y huecos, y tienen la función de expandirse. Los pulmones están envueltos en una doble membrana. −Viceral: pegada al pulmón −Parietal: pegada a las costillas y a los músculos intercostales. El aparato respiratorio está recubierto por tejido epitelial con cilios, capaces de calentar el aire y limpiarlo. Hay glándulas secretoras de mucus, que tienen la función de humedecer el tubo respiratorio. MECANISMO DE LA RESPIRACIÓN INSPIRACIÓN Se produce por la contracción del diafragma ( un músculo laminar y abombado que separa la cavidad toráxica de la abdominal ) y de los músculos que elevan las costillas. Ello provoca el ensanchamiento de la cavidad toráxica y la consiguiente disminución de la presión del interior de los pulmones, lo que facilita la penetración de aire en ellos al ser su presión menor que la presión atmosférica. ESPIRACIÓN Durante la espiración ocurre el fenómeno inverso. La relajación de los citados músculos produce la disminución de tamaño de la cavidad toráxica. La inspiración y espiración están determinadas por las variaciones de volumen de la cavidad toráxica. La inspiración se produce cuando los músculos intercostales y el diafragma se contraen, con lo que la cavidad toráxica aumenta de volumen. Los pulmones, unidos por la pleura a las paredes de esa cavidad, se dilatan y consecuentemente aumentan de volumen. Ello ocasiona que la presión en su interior disminuya, haciéndose menor que la atmosférica por lo que el aire penetra en el interior. Cuando los músculos intercostales y el diafragma se relajan, la cavidad toráxica disminuye de volumen, obligando a los pulmones a hacer lo mismo. A medida que el volumen intrapulmonar va disminuyendo, la presión va aumentando y por lo tanto, el aire es expulsado a la atmósfera. FISIOLOGÍA DE LA RESPIRACIÓN En los animales grandes, la difusión y el flujo global mueven a las moléculas de oxígeno entre el ambiente externo y los tejidos. Este movimiento transcurre en cuatro etapas. I.−) El movimiento por flujo global desde el medio externo a un epitelio delgado y húmedo próximo a capilares sanguíneos. II.−) La difusión de oxígeno a través de este epitelio hasta la sangre. III.−) El movimiento por flujo global del oxígeno con la sangre circulante hasta los tejidos donde será utilizado. IV.−) La difusión del oxígeno desde la sangre a los fluidos intersticiales y de allí a las células de los tejidos. 8 −El dióxido de carbono producido por las células de los tejidos, sigue la vía inversa para ser eliminado por el cuerpo. APARATO CIRCULATORIO SISTEMAS DE TRANSPORTE EN INVERTEBRADOS I.−) Sistemas no especializados. Los sistemas no especializados se encuentran en las esponjas y gusanos planos. Los nutrientes una vez absorbidos o ingeridos, son transportados por difusión de célula a célula o en el caso de los gusanos planos que tienen un aparato digestivo en el que los nutrientes atraviesan la pared de dicho aparato y se distribuyen a través de un líquido intersticial que baña los tejidos. II.−) Sistemas especializados. Los sistemas especializados contienen un medio circulante, constituido por un líquido con multitud de sustancias disueltas y células fon funciones concretas. Entre las sustancias destacan los pigmentos respiratorios que son los responsables del transporte del oxígeno. Los líquidos circulantes que podemos encontrar son: la hidrolinfa, hemolinfa y la sangre. Los sistemas circulatorios pueden ser abiertos: si el medio circulante sale de los vasos conductores y rellena lagunas y espacios intercelulares, para ser recogido de nuevo por los vasos; o cerrados: se caracterizan porque el líquido circulante discurre siempre por el interior de vasos conductores, únicamente se extravasa plasma sanguíneo en los capilares. SISTEMAS DE TRANSPORTE EN VERTEBRADO En los animales vertebrados el sistema circulatorio en todos ellos está especializado en transportar sangre por un circuito y linfa por el otro que está conectado al anterior. CONSTITUCIÓN DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR −ARTERIAS: Conducen la sangre desde el corazón hasta los órganos. Sus paredes, con una capa de células musculares, son fuertes y elásticas para poder resistir la presión de la sangre cuando sale bombeada del corazón. −VENAS: Devuelven la sangre al corazón. Presentan válvulas para facilitar el avance de la sangre. −CAPILARES: Son finísimos tubos con delgadas paredes por donde se realiza el intercambio de sustancias con el medio que rodea a las células. El sistema cardiovascular es el responsable del transporte de la sangre a todos los rincones del cuerpo. El corazón está formado por tejido muscular especial llamado miocardio, y es el encargado de impulsar la sangre mediante movimientos rítmicos de contracción y distensión. El miocardio delimita unas cavidades llamadas aurículas a las que llega sangre procedente de venas, y otras llamadas ventrículos, que expulsan la sangre a las arterias. Entre las aurículas y los ventrículos existen unas válvulas ( tricúspide en el lado derecho y mitral en el lado izquierdo ) que evitan el reflujo de la sangre. 9 En los vertebrados se pueden distinguir dos tipos de circulación: simple en el caso de que la sangre sólo pase una vez por el corazón por cada vuelta al cuerpo; y doble cuando pasa dos veces por el corazón. Estos animales poseen dos circuitos circulatorios: −Circuito mayor o sistemático: Se establece entre el corazón que expulsa la sangre por la arteria aorta y el cuerpo entero, volviendo al corazón por la vena cava. −Circuito menor o pulmonar: Se establece entre el corazón, que expulsa la sangre venosa hacia los pulmones por la arteria pulmonar, y los pulmones que oxigenan la sangre, para regresar por las venas pulmonares, de nuevo al corazón. En este circuito las arterias llevan la sangre venosa y las venas llevan sangre arterial, al revés que en el circuito mayor. A su vez la circulación doble se diferencia en dos modalidades según que el corazón esté dividido o no en dos partes, con el propósito de evitar que se mezclen la sangre arterial y la venosa. I.−) Circulación doble e incompleta: En ella se produce una mezcla de los dos tipos de sangre a nivel del ventrículo. Ocurre en los anfibios. II.−) Circulación doble y completa: Existen cuatro cavidades cardíacas perfectamente separadas. La sangre arterial circula por el lado izquierdo y la sangre venosa por el derecho. Es el más evolucionado. Propio de mamíferos, aves y reptiles. LA PRESIÓN SANGUÍNEA La presión sanguínea es una medida de la fuerza por unidad de superficie que ejerce la sangre sobre las paredes de los vasos sanguíneos. Se mide en términos de mercurio y se hace sobre la arteria del brazo. La presión sanguínea disminuye a medida que aumenta la distancia al corazón. En las venas la presión es escasa y el regreso al corazón está ocasionado por las contracciones musculares esqueléticas y ayudado por la presencia de válvulas semilunares en las venas, que impiden el retroceso de la sangre. FISIOLOGÍA DEL CORAZÓN Es un órgano muscular con capacidad de movimiento y que tiene dos principales movimientos: −sístole: contracción −diástole: relajación Dichos movimientos son alternos. Es un órgano que corresponde al todo o nada, es decir que o responde o no responde. Le tienen que llegar todos los impulsos necesarios para contraerse totalmente y relajarse igualmente. Las venas cava superior e inferior llegan a la aurícula derecha y a la aurícula izquierda llegan las venas pulmonares. Del corazón salen arterias; del ventrículo derecho sale la arteria pulmonar y del izquierdo sale la aorta. −DIÁSTOLE: Las aurículas se llenan de sangre, y se cierran las válvulas. Una vez llenas acaba la diástole y empieza la sístole. −SÍSTOLE: Se llenan los ventrículos y se cierran de nuevo las válvulas. Viene entonces la sístole ventricular, que impulsa la sangre a las arterias. 10 Los movimientos son alternos, cuando las aurículas están en sístole, los ventrículos están en diástole, y así sucesivamente. APARATO EXCRETOR EXCRECIÓN Proceso por el cual se eliminan productos inútiles o productos excedentarios que existen en un organismo. SISTEMAS EXCRETORES Los animales se diferencian de las plantas en que presentan sistemas de excreción. I.−) Sistemas no especializados −Excreción por la superficie corporal: Se realiza de forma directa a través de la pared del cuerpo ( esponjas ). −Excreción por almacenamiento intracelular: Los desechos son fagocitados por células ( plantas, moluscos, equinodermos ). −Excreción por órganos respiratorios: Por órganos de la respiración como pulmones se elimina dióxido de carbono y agua, y por las branquias se elimina dióxido de carbono y amoniaco ( moluscos, vertebrados ). II.−) Sistemas especializados. En los animales pueden diferenciarse órganos más o menos especializados: −Glándulas excretoras: Este es el caso de las glándulas sudoríparas de los mamíferos, que excretan sudor. −Tubos de malpighi: Son estructuras tubulares que eliminan del líquido celomático los desechos y desembocan en el tubo digestivo, por lo que salen con las heces ( insectos ). RIÑONES Están constituidos por una multitud de unidades denominadas nefronas. La nefrona es más sencilla en peces y anfibios, complicándose en reptiles, aves y mamíferos. Se hallan en los vertebrados. Una nefrona es una unidad anatómica y funcional del riñón, independiente una de otra. De cada riñón surge un conducto, el uréter. Los uréteres desembocan en la vejiga urinaria, que se comunica con el exterior por la uretra. FORMACIÓN DE LA ORINA La formación de orina ha de servir para regular el equilibrio químico interno del cuerpo resolviendo tres problemas: −La excreción de los desechos metabólicos −La regulación de las concentraciones iónicas y de diversos compuestos 11 −El mantenimiento del balance hídrico PROCESO La sangre entra en el riñón a través de la arteria renal, que se divide en arteriolas, cada una de las cuales irriga un glomérulo, en éste la sangre entra por una arteriola aferente ( de entrada ) y sale por otra arteriola, en este caso, eferente ( de salida ), la cual se divide para formar un lecho capilar alrededor del túbulo renal, para juntarse en una vénula que junto con otras muchas descargan la sangre en la orina renal. LOS SERES VIVOS COMO SISTEMAS BIOLÓGICOS 12