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Módulo de Ciencias Naturales 2012 INSTITUCIÓN EDUCATIVA CACAOTAL TEXTO GUÍA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL Docente orientador: Esp. Luis Eduardo Olmos Vergara Grado: Sexto Estudiante: _____________________________ Dirección: ______________________________ 1 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Tabla de Contenidos UNIDAD # 1 4 LAS CIENCIAS NATURALES Y EL MICROSCOPIO LAS CIENCIAS NATURALES Y SUS DIVISIONES EL MÉTODO CIENTÍFICO EL MICROSCOPIO LAS PARTES DEL MICROSCOPIO 4 4 4 6 7 UNIDAD # 2 10 LA CÉLULA TEORÍA CELULAR ORGANIZACIÓN CELULAR TEORÍAS DEL ORIGEN DE LA VIDA 10 10 10 13 UNIDAD # 3 18 LOS TEJIDOS TEJIDO DE REVESTIMIENTO TEJIDO CONJUNTIVO TEJIDO MUSCULAR TEJIDO NERVIOSO 18 18 19 20 21 UNIDAD # 4 22 ORGANIZACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS CLASES DE CARACTERES TAXONÓMICOS LOS REINOS DE LA NATURALEZA REINO MONERA REINO PROTISTA REINO FUNGÍ EL REINO VEGETAL REINO ANIMAL 22 22 23 23 24 25 26 27 UNIDAD # 5 29 FUNCIONES DE LOS SERES VIVOS CRECIMIENTO Y DESARROLLO. METABOLISMO HOMEOSTASIS IRRITABILIDAD 29 29 30 30 30 UNIDAD # 6 31 LOS SISTEMAS EL SISTEMA MUSCULAR EL SISTEMA ÓSEO 31 31 36 UNIDAD # 7 40 LA ECOLOGÍA EL HÁBITAT Y EL NICHO ECOLÓGICO EL ECOSISTEMA FACTORES ABIÓTICOS FACTORES BIÓTICOS 40 40 40 41 41 2 Módulo de Ciencias Naturales 2012 NIVELES TRÓFICOS EN LOS ECOSISTEMAS RELACIONES INTRAESPECÍFICAS RELACIONES INTERESPECÍFICAS TIPOS DE ECOSISTEMAS 41 42 43 44 UNIDAD # 8 48 LA QUÍMICA Y LA FISICA ÉPOCA PRIMITIVA. DOCTRINAS QUÍMICAS ANTIGUAS. LA ALQUIMIA. LA IATROQUÍMICA Y EL RENACIMIENTO CIENTÍFICO. LA TEORÍA DEL FLOGISTO. LAVOISIER Y LA REVOLUCIÓN QUÍMICA. ¿QUÉ ES LA QUÍMICA? ¿QUÉ ES LA MATERIA? CLASES DE MATERIA CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS PURAS: LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA Propiedades extrínsecas (extensivas o generales) Propiedades intrínsecas (intensivas o específicas) LA MEDICIÓN CAMBIOS DE LA MATERIA ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIOS DE ESTADO TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS. Procedimientos físicos: Procedimientos mecánicos: LA ENERGÍA Energía potencial Energía cinética LA FÍSICA 48 48 48 49 49 49 49 50 50 50 50 51 51 52 53 53 53 54 55 55 56 58 58 58 59 3 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 11 LAS CIENCIAS NATURALES Y EL MICROSCOPIO LAS CIENCIAS NATURALES Y SUS DIVISIONES Las ciencias naturales abarcan todas las disciplinas científicas que se dedican al estudio de la naturaleza. Se encargan de los aspectos físicos de la realidad, a diferencia de las ciencias sociales que estudian los factores humanos. Pueden mencionarse cinco grandes ciencias naturales: la biología, la física, la química, la geología y la astronomía. La biología estudia el origen, la evolución y las propiedades de los seres vivos. Por lo tanto se encarga de los fenómenos vinculados a los organismos vivos. La medicina, la zoología y la botánica forman parte de la biología. La física es la ciencia natural que se centra en las propiedades e interacciones de la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Los componentes fundamentales del universo forman parte de su campo de acción. La química, en cambio, se focaliza en la materia: su composición, estructura, propiedades y cambios que experimenta durante distintos tipos de reacciones. La geología analiza el interior del globo terrestre (materia, cambios, estructuras, etc.). La hidrología, la meteorología y la oceanografía son ciencias que pueden incluirse dentro de la geología. La astronomía, por último, es la ciencia de los cuerpos celestes. Los astrónomos estudian los planetas, las estrellas, los satélites y todos aquellos cuerpos y fenómenos que se encuentren más allá de la frontera terrestre. IMPORTANCIA DE LAS CIENCIAS NATURALES EN LA VIDA DEL HOMBRE A lo largo de estas últimas décadas, las ciencias de la Naturaleza fueron impregnando progresivamente la sociedad y la vida social. La Ciencia ha venido a constituir una de las claves esenciales para entender el cómo y el porqué de las cosas, contribuyendo a las satisfacciones de necesidades humanas y a la solución de problemas sociales. La enseñanza de las Ciencias de la Naturaleza debe estimular, entre otros aspectos: La curiosidad frente a un fenómeno nuevo o a un problema inesperado El interés por lo relativo al ambiente y su conservación El espíritu de iniciativa y de tenacidad La confianza de cada adolescente en sí mismo La necesidad de cuidar de su propio cuerpo El espíritu crítico, que supone no contentarse con una actitud pasiva frente a una verdad incuestionable. La habilidad para manejar el cambio, para enfrentarse a situaciones cambiantes y problemáticas El aprecio del trabajo investigador en equipo El respeto por las opiniones ajenas, la argumentación en la discusión de las ideas y la adopción de posturas propias en un ambiente tolerante y democrático. EL MÉTODO CIENTÍFICO El método científico es un proceso destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen los fenómenos físicos del mundo y permitan obtener, con estos conocimientos, aplicaciones útiles al hombre. Los científicos emplean el método científico como una forma planificada de trabajar. Toda investigación científica se somete siempre a una "prueba de la verdad" que consiste en que sus descubrimientos pueden ser comprobados, mediante experimentación, por cualquier persona y en cualquier lugar, y en que sus hipótesis son revisadas y cambiadas si no se cumplen. Existen dos tipos de métodos científicos, ellos son: El método experimental o inductivo El científico, bien porque desea entender un fenómeno aún no explicado, o bien para desarrollar más un determinado proceso, realiza experiencias con el fenómeno estudiado variando de una en una las variables que intervienen hasta INDUCIR una ley que las relaciona. El método inductivo es un método científico que saca conclusiones generales de algo particular. Este ha sido el método científico más común. El inductivismo se caracteriza por tener 4 etapas básicas: Observación y registro de todos los hechos Análisis y clasificación de los hechos Derivación inductiva de una generalización a partir de los hechos Contrastación En una primera etapa se deberían observar y registrar todos los hechos y luego analizarlos y clasificarlos ordenadamente. A partir de los datos procesados se deriva una hipótesis que solucione el problema basada en el análisis lógico de los datos procesados. Esta derivación de hipótesis se hace siguiendo un razonamiento inductivo. 4 Módulo de Ciencias Naturales 2012 En la última etapa se deduce una implicación contrastadora de hipótesis. Esta implicación debería ocurrir en el caso de que la hipótesis sea verdadera, así si se confirma la implicación contrastadora de hipótesis quedará validada la hipótesis principal. El método teórico o deductivo Esté método se utiliza menos que el método experimental o inductivo. Se le llama deductivo porque en esencia consiste en sacar consecuencias (deducir) de un principio o suposición. El método deductivo es un método científico que considera que la conclusión está implícita en las premisas. Por lo tanto, supone que las conclusiones sigue necesariamente a las premisas: si el razonamiento deductivo es válido y las premisas son verdaderas, la conclusión sólo puede ser verdadera. Cabe destacar que la palabra deducción proviene del verbo deducir (del latín deducĕre), que significa sacar consecuencias de un principio, proposición o supuesto. El método deductivo infiere los hechos observados basándose en la ley general (a diferencia del inductivo, en el cual se formulan leyes a partir de hechos observados). Newton para elaborar su Teoría se apoyó en las matemáticas y en unos axiomas que enunció, basándose en hechos estudiados por otros, sin hacer ninguna experimentación personal. Sus teorías fueron luego plenamente confirmadas. Las fórmulas obtenidas por Newton le permitían calcular posiciones y velocidades que coincidían con las que tenían los cuerpos por él estudiados. Calculó cuánto cae la Luna (cuánto se aparta de una línea recta tangente a la trayectoria) hacia la Tierra cada segundo y comprobó que coincidía con lo que predecía su ley. Una vez comprobado que sus leyes explicaban perfectamente lo observado y que se cumplían, hizo pública la Ley de Gravitación Universal. PASOS DEL METODO CIENTIFICO El método científico consta de las siguientes fases: Observación Formulación de hipótesis Experimentación Emisión de conclusiones Observación Los científicos se caracterizan por una gran curiosidad y el deseo de conocer la naturaleza. Cuando un científico encuentra un hecho o fenómeno interesante lo primero que hace es observarlo con atención. La Observación consiste en examinar atentamente los hechos y fenómenos que tienen lugar en la naturaleza y que pueden ser percibidos por los sentidos. Ejemplo: Queremos estudiar si la velocidad de caída libre de los cuerpos depende de su masa. Para ello, dejamos caer, desde una misma altura una tiza y una hoja de papel. Observamos que la tiza llega mucho antes que el papel al suelo. Si medimos la masa de la tiza, vemos que ésta es mayor que la masa del papel. Formulación de hipótesis Después de las observaciones, el científico se plantea el cómo y el porqué de lo que ha ocurrido y formula una hipótesis. Formular una hipótesis consiste en elaborar una explicación provisional de los hechos observados y de sus posibles causas. Ejemplo: Podemos formular, como hipótesis, el siguiente razonamiento: "Cae con mayor velocidad el cuerpo que posee mayor masa". Experimentación Una vez formulada la hipótesis, el científico debe comprobar si es cierta. Para ello realizará múltiples experimentos modificando las variables que intervienen en el proceso y comprobará si se cumple su hipótesis. Experimentar consiste en reproducir y observar varias veces el hecho o fenómeno que se quiere estudiar, modificando las circunstancias que se consideren convenientes. Durante la experimentación, los científicos acostumbran a realizar múltiples medidas de diferentes magnitudes físicas. De esta manera pueden estudiar qué relación existe entre una magnitud y la otra. Ejemplo: Si lanzamos la tiza junto a una hoja de papel arrugada, vemos que llegan al suelo prácticamente al mismo tiempo. Si seguimos esta línea de investigación y lanzamos una hoja de papel arrugada y otra hoja sin arrugar desde la misma altura, vemos que la hoja arrugada llega mucho antes al suelo. Emisión de conclusiones El análisis de los datos experimentales permite al científico comprobar si su hipótesis era correcta y dar una explicación científica al hecho o fenómeno observado. La emisión de conclusiones consiste en la interpretación de los hechos observados de acuerdo con los datos experimentales. 5 Módulo de Ciencias Naturales 2012 A veces se repiten ciertas pautas en todos los hechos y fenómenos observados. En este caso puede enunciarse una ley. Una ley científica es la formulación de las regularidades observadas en un hecho o fenómeno natural. Por lo general, se expresa matemáticamente. Las leyes científicas se integran en teorías. Una teoría científica es una explicación global de una serie de observaciones y leyes interrelacionadas. Ejemplo: A la vista de los resultados experimentales, se puede concluir que no es la masa la que determina que un objeto caiga antes que otro en la Tierra; más bien, será la forma del objeto la determinante. Como comprobación de nuestro resultado deducimos que nuestra hipótesis inicial era incorrecta. Tenemos, por ejemplo, el caso de un paracaidista: su masa es la misma con el paracaídas abierto y sin abrir; sin embargo, cae mucho más rápido si el paracaídas se encuentra cerrado. PASOS DEL METODO CIENTIFICO EL MICROSCOPIO Es un instrumento que permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. El tipo más común y el primero que se inventó es el microscopio óptico. Se trata de un instrumento óptico que contiene dos o más lentes que permiten obtener una imagen aumentada del objeto y que funciona por refracción. La ciencia que investiga los objetos pequeños utilizando este instrumento se llama microscopía. HISTORIA DEL MICROSCOPIO El microscopio fue inventado hacia los años 1610, según los italianos, o por Zacarías Janssen en 1590, en opinión de los holandeses. En 1665 aparece en la obra de William Harvey sobre la circulación sanguínea al observar al microscopio los capilares sanguíneos. En 1665 Robert Hooke observó con un microscopio un delgado corte de corcho y notó que el material era poroso, en su conjunto, formaban cavidades poco profundas a modo de celditas a las que llamó células. Se trataba de la primera observación de células muertas. Unos años más tarde, Marcello Malpighi, anatomista y biólogo italiano, observó células vivas. Fue el primero en estudiar tejidos vivos al microscopio. A mediados del siglo XVII un holandés, Anton van Leeuwenhoek, utilizando microscopios simples de fabricación propia, describió por primera vez protozoos, bacterias, espermatozoides y glóbulos rojos. Observó los glóbulos de la sangre, las bacterias y los protozoos; examinó por primera vez los glóbulos rojos y descubrió que el semen contiene espermatozoides. Durante su vida no reveló sus métodos secretos y a su muerte, en 1723, 26 de sus aparatos fueron cedidos a la Royal Society de Londres. Durante el siglo XVIII continuó el progreso y se lograron objetivos acromáticos por asociación de Chris Neros y Flint Crown obtenidos en 1740 por H. M. Hall y mejorados por John Dollond. De esta época son los estudios efectuados por Isaac Newton y Leonhard Euler. En el siglo XIX, al descubrirse que la dispersión y la refracción se podían modificar con combinaciones adecuadas de dos o más medios ópticos, se lanzan al mercado objetivos acromáticos excelentes. 6 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Durante el siglo XVIII el microscopio tuvo diversos adelantos mecánicos que aumentaron su estabilidad y su facilidad de uso, aunque no se desarrollaron por el momento mejoras ópticas. Las mejoras más importantes de la óptica surgieron en 1877, cuando Ernst Abbe publicó su teoría del microscopio y, por encargo de Carl Zeiss, mejoró la microscopía de inmersión sustituyendo el agua por aceite de cedro, lo que permite obtener aumentos de 2000. A principios de los años 1930 se había alcanzado el límite teórico para los microscopios ópticos, no consiguiendo éstos aumentos superiores a 500X o 1000X. Sin embargo, existía un deseo científico de observar los detalles de estructuras celulares (núcleo, mitocondria, etc.). El microscopio electrónico de transmisión (TEM) fue el primer tipo de microscopio electrónico desarrollado. Utiliza un haz de electrones en lugar de luz para enfocar la muestra consiguiendo aumentos de 100.000X. Fue desarrollada por Max Knoll y Ernst Ruska en Alemania en 1931. Posteriormente, en 1942 se desarrolla el microscopio electrónico de barrido (SEM). LAS PARTES DEL MICROSCOPIO El microscopio está formado por tres partes que son: PARTE MECÁNICA: Son una serie de piezas donde se instalan los lentes y posee mecanismos de movimiento controlado para el enfoque, las piezas que forman este sistema son: Resorte o eje de inclinación: Tornillo fijo que une la columna al brazo, permite inclinar el microscopio y poder observar con facilidad las preparaciones. Pilar o columna: Llamada también asa o brazo que sirve para mantener las diversas partes, sostiene el tubo en su porción superior y por el extremo inferior se une a la base. Soporte o brazo: Une el tubo a la platina y sirve para tomar el microscopio y trasladarlo de un lugar a otro. Base o pie, estructura metálica en forma de U ó V, sirve de sostén y da estabilidad. Tubo ocular: Tiene forma cilíndrica y está ennegrecido internamente para evitar las molestias que ocasionan los reflejos de la luz. En su parte superior se encuentra un orificio donde se coloca el ocular y en la parte inferior lleva el "revólver" que soporta los objetivos. Tornillo macrométrico: Permite realizar movimientos verticales grandes, es decir mueve el tubo de arriba hacia abajo permitiendo un enfoque rápido, es un tornillo grande. Tornillo micrométrico: Permite realizar movimientos lentos, por lo cual sirve para afinar y precisar el enfoque, el tornillo es pequeño. Revólver: Estructura circular giratoria donde van enroscados los objetivos. Permite la colocación en posición correcta del objetivo que se va a usar. Carro: Dispositivo colocado sobre la platina que permite deslizar la preparación de derecha a izquierda y de atrás hacia delante. Platina: Se utiliza para colocar la preparación u objeto que se va a observar, puede ser fija o giratoria, tiene un hueco en el centro para dejar pasar los rayos luminosos. Pinzas del portaobjeto: Sirven para sostener la preparación. 7 Módulo de Ciencias Naturales 2012 PARTE ÓPTICA: Está constituido por una serie de lentes que permiten además de aumentar y dar nitidez a la imagen. Estos lentes son: Oculares: Tienen como función multiplicar el aumento logrado por el objetivo, el aumento que se logra con ellos se representa por un número entero acompañado de una X, lo cual significa tantos números, tenemos oculares de 4X, 6X, 8X, 9X, 10X, l2X, 15X, 20X. Objetivos: Son los que están ubicados en el extremo inferior del tubo en la pieza llamada "revólver" y son los que están cerca del objeto que se va a observar. Los objetivos pueden ser "secos" o de "inmersión". PARTE DE ILUMINACIÓN: Está constituido por las partes del microscopio, cuya función está relacionada con la entrada de luz a través del aparato que ilumina la preparación. Está compuesto por: El Espejo: Su función es la de desviar los rayos de luz hacia el objeto que se va a observar, el espejo presenta dos caras, una plana y otra cóncava. La cara plana se utiliza para observar con luz artificial y la cóncava para observar con luz natural. Los nuevos modelos de microscopio no llevan espejo, sino una lámpara que sustituye su función. Condensador: Es una lente o sistema de lentes que se encuentran colocado debajo de la platina y su función es la de concentrar la luz sobre el objeto que se va a observar. Diafragma: Regula la cantidad de luz que debe pasa a través de éste hacia la platina. 8 Módulo de Ciencias Naturales 2012 EL MICROSCOPIO Y SUS PARTES 9 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUnniidda add ## 22 LA CÉLULA Robert Hooke descubrió que los seres vivos están formados por estructuras microscópicas elementales que denominaron células. La célula es la unidad anatómica, funcional y genética de los seres vivos. La célula es una estructura constituida por tres elementos básicos: Membrana plasmática, citoplasma y material genético (ADN). Posee la capacidad de realizar tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Se llaman eucariotas a las células que tienen la información genética envuelta dentro de una membrana que forman el núcleo. Un organismo formado por células eucariotas se denomina eucarionte. Muchos seres unicelulares tienen la información genética dispersa por su citoplasma, no tienen núcleo. A ese tipo de células se les da el nombre de procariotas. TEORÍA CELULAR La teoría celular es la parte de la biología actual que explica la constitución de los seres vivos en base a células. Sus principios básicos son los siguientes: La célula es la unidad anatómica de todo ser vivo, porque todo ser vivo está formado por una o más células. La célula es la unidad fisiológica de todo ser vivo, porque es la parte más pequeña con vida propia y realiza todas las funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. La célula es la unidad de origen, ya que célula procede de otra célula, y el material hereditario pasa de madres a hijas. Si consideramos lo anterior, podemos decir que la célula es nuestra unidad estructural, ya que todos los seres vivos están formados por células; es la unidad de función, porque de ella depende nuestro funcionamiento como organismo y es la unidad de origen porque no se puede concebir a un organismo vivo si no está presente al menos una célula. Por sus aportaciones, Theodor Schwann y Mathias Schleiden son considerados los fundadores de la Teoría Celular Moderna. ORGANIZACIÓN CELULAR Los organismos pluricelulares presentan una determinada organización de sus células, en distintos niveles, que son: Célula: mínima unidad que forma parte de un ser vivo. Tejido: conjunto de células que tienen características y funciones similares y con un mismo origen. Órgano: conjunto de tejidos unidos y coordinados para cumplir una función específica. Por ejemplo: pulmón, corazón, estómago, etcétera. En el caso de los vegetales, son considerados órganos: la raíz, las semillas, las hojas, las flor, etc. Sistemas: resultado de la unión de varios órganos, los cuales funcionan de una forma coordinada para desempeñar un rol determinado. Por ejemplo: se habla de Sistema Digestivo, Renal, Circulatorio, Nervioso, Reproductor, etc. Organismo: es un ser vivo formado por un conjunto de sistemas, que trabajan armónicamente. La estructura básica de una célula consta de: MEMBRANA PLASMÁTICA: Capa que separa el citoplasma del medio externo, pero que permite el intercambio de materia y energía. CITOPLASMA: Solución acuosa que contiene sustancias químicas disueltas. En él se llevan a cabo muchas reacciones metabólicas. ADN: Material genético, formado por ácidos nucleícos. ORGÁNULOS: Estructuras que desempeñan diferentes funciones dentro de la célula. De acuerdo con las características de estos cuatro elementos principales se distinguen dos tipos de célula: eucariota y procariota. EUCARIOTA PROCARIOTA ADN El material genético está encerrado en una membrana, formando el núcleo. El material genético está disperso en el citoplasma. No existe núcleo celular. ORGÁNULOS Contiene muchos orgánulos diferentes, algunos rodeados de membranas. Solo posee unos pequeños orgánulos llamados ribosomas. ORGANISMOS Esta organización celular la presentan todos los seres vivos que no son bacterias. Este tipo de organización solo se da en las bacterias. Los animales y las plantas son seres vivos muy distintos, por eso sus células, aunque ambas son eucariotas, presentan grandes diferencias. 10 Módulo de Ciencias Naturales 2012 CELULA PROCARIOTICA TIPOS DE CELULAS EUCARIOTICAS ESTRUCTURAS DE LA CELULA EUCARIOTICA MEMBRANA PLASMÁTICA La membrana celular se caracteriza porque: Rodea a toda la célula y mantiene su integridad. Está compuesta por dos sustancias orgánicas: proteínas y lípidos, específicamente fosfolípidos. Los fosfolípidos están dispuestos formando una doble capa (bicapa lipídica), donde se encuentran sumergidas las proteínas. Es una estructura dinámica. 11 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Es una membrana semipermeable o selectiva, esto indica que sólo pasan algunas sustancias (moléculas) a través de ella. Tiene la capacidad de modificarse y en este proceso forma poros y canales. Funciones de la membrana celular Regula el paso de sustancias hacia el interior de la célula y viceversa. Esto quiere decir que incorpora nutrientes al interior de la célula y permite el paso de desechos hacia el exterior. Como estructura dinámica, permite el paso de ciertas sustancias e impide el paso de otras. Aísla y protege a la célula del ambiente externo. EL CITOPLASMA Se caracteriza porque: Es una estructura celular que se ubica entre la membrana celular y el núcleo. Contiene un conjunto de estructuras muy pequeñas, llamadas organelos celulares. Está constituido por una sustancia semilíquida. Químicamente, está formado por agua, y en él se encuentran en suspensión, o disueltas, distintas sustancias como proteínas, enzimas, líquidos, hidratos de carbono, sales minerales, etc. Funciones del citoplasma Nutritiva. Al citoplasma se incorporan una serie de sustancias, que van a ser transformadas o desintegradas para liberar energía. De almacenamiento. En el citoplasma se almacenan ciertas sustancias de reserva. Estructural. El citoplasma es el soporte que da forma a la célula y es la base de sus movimientos. LOS ORGANÉLOS CELULARES Son pequeñas estructuras intracelulares, delimitadas por una o dos membranas. Cada una de ellas realiza una determinada función, permitiendo la vida de la célula. Por la función que cumple cada organélo, la gran mayoría se encuentra en todas las células, a excepción de algunos, que solo están presentes en ciertas células de determinados organismos. MITOCONDRIAS: Realiza la respiración celular. Transforma la materia orgánica en energía: ATP. RIBOSOMAS: Sintetizan proteínas según el código descifrado de el ARN mensajero que a su vez es copia del ADN. RETICULO ENDOPLASMATICO: Distribuye, recoge, almacena y transporta las proteínas fabricadas en los ribosomas. También fabrica lípidos y construye la membrana nuclear. 12 Módulo de Ciencias Naturales 2012 APARATO DE GOLGI: Almacena y clasifica las proteínas que recibe del retículo endoplasmatico. LISOSOMAS: Pequeñas esferas membranosas que almacenan enzimas digestivas que ayudan a digerir los alimentos. PARED CELULAR: Da soporte, protección y esqueleto a la célula vegetal. Está formada por capas superpuestas de celulosa. CLOROPLASTO: Orgánulo capaz de realizar la fotosíntesis: la transformación de la materia inorgánica en orgánica. CENTRIOLOS: Agregado de microtúbulos cilíndricos que forman los cilios y los flagelos y facilitan la división celular en células animales. VACUOLAS: Acumulan sustancias de reserva o de desecho. EL NÚCLEO La función del núcleo es dirigir la actividad celular, es decir, regula el funcionamiento de todos los organélo celulares. CARACTERISTICAS DEL NUCLEO Ser voluminoso. Ocupar una posición central en la célula. Estar delimitado por la membrana nuclear. Ésta presenta poros definidos, que permiten el intercambio de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. En el interior del núcleo se pueden encontrar: Nucleoplasma o jugo nuclear. Nucléolo: cuerpo esférico, formado por proteínas, ácido desoxi-ribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), ambos compuestos orgánicos. El nucléolo tiene la información para fabricar las proteínas. Material genético: está organizado en verdaderas hebras llamadas cromatinas, formadas por ADN. Cuando la célula se reproduce, la cromatina se condensa y forma unas estructuras llamadas cromosomas, donde está contenida toda la información genética propia de cada ser vivo. TEORÍAS DEL ORIGEN DE LA VIDA Teoría del Creacionismo: Desde tiempos remotos los hombres han explicado la existencia del mundo y de la vida en él, a través de la intervención de una o varias deidades que pudieron originar todo lo que existe. Con este razonamiento muchos pueblos han dado respuesta a sus dudas originándose a su vez las religiones. Sin embargo dicho razonamiento, aunque respetable, no concuerda con las evidencias que nos aporta la ciencia. Teoría de la Generación espontánea: En la antigüedad se sostenía que la vida podía surgir del lodo, del agua o de las combinaciones de los cuatro elementos fundamentales: aire, fuego, agua, y tierra. Aristóteles propuso que el origen espontáneo para gusanos, insectos y peces era 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 (ENTELEQUIA) capaces de dar vida a lo que no tenía. En 1667, Johann B. van Helmont, médico holandés, propuso una receta que permitía la generación espontánea de ratones, en su libro Ortus Medicine, dice: 13 Módulo de Ciencias Naturales 2012 "...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 dichas explicaciones y comenzaron a someter a la experimentación todas esas teorías. Francisco 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 que provenían de los huevos depositados por las moscas en la carne. Colocó trozos de carne en tres recipientes iguales, al primero lo cerró herméticamente, el segundo lo cubrió con una gasa y el tercero lo dejó descubierto. Unos días después observó que en el frasco tapado no había gusanos aunque la carne estaba podrida y con mal olor, en el segundo pudo observar que sobre la tela estaban los huevos de las moscas y la carne del tercer frasco tenía gran cantidad de larvas y moscas. Con dicho experimento se empezó a demostrar la falsedad de la teoría conocida como "generación espontánea". Experimento de Redi A finales del siglo XVII, Anton van Leeuwenhoek, comerciante y científico holandés, gracias a su perfeccionamiento del microscopio óptico, encontró en las gotas de agua sucia gran cantidad de microorganismos que parecían surgir súbitamente con gran facilidad. Éste descubrimiento fortaleció los ánimos de los seguidores de la "generación espontánea". A pesar de los experimentos de Redi, la teoría de la generación espontánea no había sido descartada del todo, pues las investigaciones de este científico demostraban el origen de las moscas, pero no el de otros organismos. Teoría de Spallanzani y Needham: En 1745, John T. Needham sostenía que había una “fuerza vital” que originaba la vida. El experimento que realizó fue el de hervir caldo de res en una botella, luego la tapaba con un corcho, la dejaba reposar varios días y al observar al microscopio una pequeña muestra de la sustancia, encontraba organismos vivos. Afirmaba que el calor utilizado para hervir el caldo era suficiente para matar a cualquier organismo y la presencia de seres vivos era originada por la fuerza vital. Sin embargo, Lázaro Spallanzani realizó el mismo experimento de Needham, pero selló totalmente la botella, la hirvió, la dejó reposar varios días y cuando realizó las observaciones no encontró organismos vivos. Esto lo llevó a concluir que los organismos encontrados por Needham procedían del aire que penetraba a través del corcho. Teoría de Pasteur: En 1862, Louis Pasteur, médico francés, realizó una serie de experimentos para resolver el problema de la generación espontánea. Pensaba que los causantes de la putrefacción de la materia orgánica eran los microorganismos que se encontraban en el aire. Para demostrar su teoría, diseñó unos matraces con cuello en forma de “S” o de cisne, en ellos colocó caldos nutritivos que después hirvió hasta esterilizarlos. Posteriormente observó que en el cuello de los matraces quedaban detenidos los microorganismos que flotan en el ambiente, por lo que el aire que entraba en contacto con la sustancia nutritiva no la contaminaba. Para verificar sus observaciones rompió el cuello de un matraz y al entrar el aire en contacto con el caldo, los microorganismos produjeron la descomposición de la sustancia nutritiva. De esta manera quedó comprobada la falsedad de la teoría de la generación espontánea. Experimento de Pasteur. 14 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Teoría de la Panspermia: En 1908, Svante Arrhenius, químico sueco, presentó su teoría a la que se conoce con el nombre de panspermia. En ella asegura que la vida llegó a la Tierra en forma de esporas y bacterias provenientes del espacio exterior, las cuales se desprendieron de un planeta en las que ya existían. A esta teoría se oponen dos argumentos: 1. Las condiciones del medio interestelar son poco favorables para la supervivencia de cualquier forma de vida. Además, cuando un meteorito entra en la atmósfera, se produce una fricción que causa calor y combustión destruyendo cualquier espora o bacteria que viaje en ellos. 2. No explica cómo se formó la vida en el planeta hipotético del cual se habría desprendido la espora o bacteria. Teoría de Oparín – Haldane: Con el transcurso de los años y tras haber sido rechazada la teoría de la generación espontánea, se propuso una nueva teoría que hasta nuestros días es aceptada por la ciencia. Esta teoría fue desarrollada como ya se señaló al inicio de este texto por el bioquímico Alexander I. Oparín en 1924 y por el biólogo inglés John B. S. Haldane en 1928; ambos de manera independiente llegaron a las mismas conclusiones. A esta teoría se le conoce como teoría del origen físico-químico de la vida y se basa principalmente en las condiciones físicas y químicas que existían en la Tierra primitiva y que permitieron el desarrollo de la vida. ¿Cómo era el planeta Tierra tras su formación? Hace 4600 millones de años aproximadamente las condiciones en la Tierra eran las siguientes: La temperatura era muy elevada debido a la radioactividad proveniente del espacio exterior, al impacto de meteoritos y porque el planeta todavía se encontraba en formación. La atmósfera estaba saturada de hidrógeno libre, dióxido de carbono, monóxido de carbono y vapor de agua entre otros compuestos, pero no era lo suficientemente gruesa y densa para evitar el constante choque de meteoritos. En la corteza terrestre existía gran actividad volcánica caracterizada por derramamientos de lava que propiciaban variaciones de presión y temperatura que, en conjunto con las tormentas eléctricas, generaban una permanente fuente de energía. Tierra Primitiva. a) Imagen tomada de Lazcano, 2007. b) Sala del Origen de la vida, MHNCA. ¿Cómo se conformó la materia? Todo lo que nos rodea, incluyéndonos, está constituido por átomos, la palabra átomo significa “indivisible” y está constituido por un núcleo de partículas llamadas protones y neutrones, y otras que giran alrededor de éste llamadas electrones. Un elemento es un átomo con ciertas características que varían de acuerdo al número de protones, neutrones y electrones. Una molécula resulta de la unión de dos o más elementos diferentes y un compuesto se forma de la unión de dos o más moléculas diferentes. La vida ¿producto de moléculas inorgánicas? Hace 4000 millones de años al bajar la temperatura del planeta, el vapor de agua se condensó precipitándose en forma de lluvias torrenciales, mismas que al acumularse dieron origen al océano, simultáneamente las sustancias encontradas en la atmósfera fueron arrastradas hacia este mar primigenio. Las constantes descargas eléctricas y el medio acuoso fueron la fuente energética para que los elementos encontrados en el océano se combinaran por medio de reacciones físicas y químicas, desarrollándose diferentes moléculas inorgánicas que posteriormente fueron la base para la formación de moléculas más complejas, estás últimas esenciales para la vida como son los carbohidratos, las proteínas, las grasas y los ácidos nucleícos como el ARN y ADN, siendo éstos los que contienen la información genética de los seres vivos y los únicos que pueden transferirla de una generación a la siguiente. ¿Cómo se formaron los primeros sistemas vivos? Con el paso del tiempo, en el océano primitivo la acumulación y combinación de las moléculas antes mencionadas, formaron sistemas con límites definidos que en su interior contenían las sustancias que absorbían del medio exterior. Oparín denominó a esos sistemas como protobiontes, los que pudo reproducir en el curso de sus experimentos y observó unas gotitas ricas en moléculas orgánicas y separadas del medio acuoso por una membrana rudimentaria, demostrando así la formación de 15 Módulo de Ciencias Naturales 2012 membranas lipídicas (formadas de grasa) en ausencia de vida. Además del nombre que les dio Oparín a estas estructuras, también se les conoce como coacervados, que en términos generales es un agregado de moléculas unidas por fuerzas electrostáticas. Se puede decir que ese sistema es similar a un ser vivo, ya que ambos desprenden materia y energía continuamente. Formación de un coacervado. Siguiendo con ese enfoque, las sales y el agua son materiales predominantes en los océanos, siendo también los componentes básicos de los seres vivos. El agua forma parte de los organismos en un 70% a 95 % y en un sentido biológico constituye la sustancia mediante la cual se pueden combinar prácticamente todos los elementos. Posteriormente, estos sistemas adquirieron la capacidad de reproducirse, crecer y repararse, actualmente a estos seres se les conoce como los primeros organismos unicelulares. Sin embargo, el abastecimiento limitado de las sustancias nutritivas, suscitó una competencia entre estos seres primitivos para alimentarse, originándose una selección natural entre los que producían su propio alimento y los que lo conseguían alimentándose de otros. Conforme la Tierra adquiría una estructura estable, los sistemas orgánicos siguieron evolucionando. En ese trayecto surgió un proceso al que debemos las condiciones actuales del planeta, dicho proceso es la fotosíntesis y ha sido esencial para el desarrollo de la mayor parte de la vida que predomina desde hace unos 700 millones de años. A los organismos que presentaban este sistema se les dio el nombre de organismos fotosintéticos. Mediante este proceso las sustancias orgánicas se sintetizan a partir de bióxido de carbono y agua, utilizando energía luminosa absorbida por estructuras llamadas cloroplastos, dando como un producto de desecho el oxígeno. Esquema de los primeros organismos. Con la proliferación de estos organismos, se requirieron sólo 3000 años aproximadamente para reemplazar totalmente la atmósfera primitiva en una con abundante oxígeno. Sin embargo, actualmente siguen existiendo seres que no utilizan el oxígeno 16 Módulo de Ciencias Naturales 2012 como fuente de energía para sobrevivir y se les denomina anaerobios, mientras los que si lo requieren para sobrevivir reciben el nombre de aerobios. A los primeros seres unicelulares, se les compara con las actuales bacterias y los virus. Los últimos están en discusión por no ser considerados seres vivos por los científicos, ya que requieren de una célula huésped para poder multiplicarse, debido a que no contienen las proteínas necesarias para replicar su ácido nucleico (ARN o ADN). ¿Cómo surgen los organismos pluricelulares? Con las modificaciones que sufría la Tierra, los organismos celulares fueron evolucionando, proceso gradual que configuró un sistema que contenía células que desempeñaban una función específica como reproducción, digestión, respiración y excreción, dando origen a los organismos pluricelulares, que abarcan desde los microscópicos como el zooplancton hasta los macroscópicos como la ballena azul. A lo largo del tiempo los organismos fueron evolucionando, de esto se tienen pruebas gracias a los fósiles que nos muestran a los ancestros de los actuales seres vivos. Según los estudios, los primeros organismos pluricelulares aparecen hace 500 millones de años, estos eran organismos invertebrados que no poseían un esqueleto óseo, posteriormente algunos se separaron del grupo y adaptaron un esqueleto más rígido hasta estar osificado y se les denomina vertebrados; en cuanto a las plantas, tuvieron también su evolución, la cual fue paralela a la de los animales. Los anfibios por su parte, se originaron hace 300 millones de años y han continuado hasta nuestros días con algunas variaciones en relación a sus ancestros, los mamíferos aparecieron hace un poco más de 75 millones de años y las aves surgieron hace 30 millones de años, finalmente el hombre empezó a evolucionar hasta su forma actual hace cerca de 20 a 50 millones de años. Teoría comprobada por Miller y Urey: Aunque en la actualidad no se sabe con exactitud cuál fue el origen de la vida, no se descartan los indicios que pudieron desarrollarla en este planeta, el ejemplo más aceptado hasta el momento es el análisis de la teoría de Oparin-Haldane que fue comprobada por los experimentos de Miller y Urey en 1953, dichos experimentos confirmaron que cierto número de aminoácidos biológicamente importantes, se pueden sintetizar con descargas eléctricas a través de una mezcla gaseosa formada por amoníaco, hidrógeno, vapor de agua y una sustancia orgánica simple, el metano. Las reacciones químicas necesarias para producir sustancias orgánicas complejas son facilitadas por ciertas condiciones, tales como altas temperaturas y presiones, descargas eléctricas y radiación ultravioleta. Experimento de Miller y Urey. Con ello se deduce que la secuencia de reacciones químicas que ocurren en un organismo, son el legado de un metabolismo heredado de las primeras formas de vida a las actuales. Se sabe que los cuatro grupos principales que constituyen el protoplasma de una célula son: carbohidratos, grasas, proteínas y ácidos nucleícos, y que de estos cuatro, los carbohidratos y las grasas son fuentes energéticas muy importantes, mientras que las proteínas y los ácidos nucleícos se consideran como los pilares de la materia viva. Los ácidos nucleícos, principalmente el ácido ribonucleico (ARN) es considerado como precursor en los organismos celulares, según la nueva teoría de “El mundo del ARN”. Ese ácido nucleico con el tiempo se pudo especializar en una molécula más compleja de doble cadena denominada ácido desoxirribonucleico (ADN), que contiene la información genética de un individuo y que con ayuda del ARN puede replicarse. 17 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUnniidda add ## 33 LOS TEJIDOS Como en todo organismo multicelular, las células de la mayoría de animales se especializan y se asocian en tejidos para realizar diferentes funciones. Las funciones que cumplen los tejidos animales van desde recibir, interpretar y dar respuesta a los estímulos provenientes del medio ambiente, pasando por aquellos que permiten el movimiento de los organismos, hasta aquellos que transportan gases, nutrientes y sustancias de desecho a través de todo el cuerpo. Diferentes tipos de tejidos se unen estructuralmente y coordinan sus actividades, formando órganos. A su vez, los órganos que deben realizar una función determinada, se unen en sistemas orgánicos. En los vertebrados se distinguen cuatro tipos de tejidos. TEJIDO DE REVESTIMIENTO El tejido de revestimiento está constituido por células de forma geométrica, poco modificadas y muy juntas entre sí. Según su función, se distinguen el tejido epitelial y el tejido glandular. TEJIDO EPITELIAL El tejido epitelial está compuesto por capas de células que cubren la superficie del cuerpo y revisten los órganos y las cavidades internas. Las capas continuas de células epiteliales proporcionan una cubierta protectora a la totalidad del cuerpo. Estas células contienen además varios tipos de terminaciones nerviosas sensoriales. El tejido epitelial a su vez puede clasificarse por la forma de sus células. Es así como se distinguen epitelios de células planas o pavimentosas y epitelios de células cilíndricas. Los epitelios de células planas se encuentran recubriendo el interior de los vasos sanguíneos, los vasos linfáticos y órganos internos como el corazón, los pulmones, el intestino, etc. Otros epitelios se encargan de recubrir la superficie externa de los vertebrados. Pueden tener una capa córnea de células muertas, como sucede en la epidermis de la piel, o carecer de capa córnea, como sucede en las mucosas que recubren la cavidad bucal, la faringe, el esófago, el recto, la vagina, etc. Los epitelios de células cilíndricas recubren las superficies absorbentes del tubo digestivo; los conductos respiratorios como la laringe, la tráquea y los bronquios; y las fosas nasales. Algunas de las células de este tejido, especialmente las de los conductos respiratorios, poseen cilios, que con sus movimientos expulsan al exterior partículas de polvo. 18 Módulo de Ciencias Naturales 2012 TEJIDO GLANDULAR El tejido glandular se especializa en la síntesis y secreción de productos para ser enviados al exterior, es decir, presenta una función secretora. Se encuentra en glándulas como las mamarias y las salivales en donde se producen sustancias como la leche y la saliva, respectivamente. Según la forma como se vierta la secreción, se distinguen tres tipos de glándulas: Las glándulas endocrinas, carecen de conductos excretores y vierten sus secreciones directamente a la sangre. La tiroides es un ejemplo de glándula endocrina. Las glándulas exocrinas, poseen conducto excretor, sus secreciones se vierten en la superficie externa del cuerpo, como lo hacen por ejemplo las glándulas sebáceas, lacrimales, etc.; o en el tubo digestivo, como lo hacen las glándulas salivales y el hígado. Las glándulas mixtas, segrega unas sustancias por intermedio de conductos excretores y otras las vierten directamente a la sangre. TEJIDO CONJUNTIVO El tejido conjuntivo está formado por células relativamente escasas que producen abundante sustancia intercelular, compuesta generalmente por una sustancia gelatinosa llamada matriz y por un gran número de fibras que se intercalan en esta matriz. La función del tejido conjuntivo es la de unir y sostener los diferentes órganos del cuerpo. Hay muchos tipos de tejido conjuntivo. Según su estructura se distinguen: el tejido adiposo, el tejido cartilaginoso, el tejido óseo y el tejido sanguíneo. TEJIDO CARTILAGINOSO El tejido cartilaginoso cumple una función esquelética. En este tejido se produce una proteína especial que proporciona la consistencia típica de los cartílagos, que forman los esqueletos completos de algunos peces como los tiburones, y parte del esqueleto de otros vertebrados. Se distinguen tres clases de tejido cartilaginoso: a) El tejido cartilaginoso hialino, se encuentra en los cartílagos nasales, en las articulaciones y en el esqueleto de los embriones. b) El tejido cartilaginoso elástico, contiene muchas fibras de elastina y está localizado en los pabellones auditivos y en los cartílagos del aparato respiratorio. c) El tejido cartilaginoso fibroso, tiene muchas fibras de colágeno y se halla en los discos intervertebrales. 19 Módulo de Ciencias Naturales 2012 TEJIDO ÓSEO El tejido óseo al igual que el cartilaginoso, cumple una función esquelética. Se encuentra formando los huesos. En la matriz del tejido óseo se depositan sales de calcio, que le dan dureza. Esto hace que el tejido óseo sirva para sostener y proteger diversos órganos. Hay dos clases de tejido óseo: a) El tejido óseo compacto, se ubica en la diáfisis o porción central del hueso. b) El tejido óseo esponjoso, se halla en los huesos cortos y planos y en las epífisis o extremos de los huesos largos. La estructura original de los huesos está conformada por tejido cartilaginoso. A medida que el organismo va avanzando en edad el tejido cartilaginoso es sustituido por el tejido óseo, los huesos se calcifican y adquieren su máxima consistencia. TEJIDO ADIPOSO El tejido adiposo está formado por unas células llamadas adipocitos, en cuyo interior se acumulan grandes gotas de lípidos o grasas. Tiene una clara función de reserva y cuando forma capas de cierto espesor (panículos adiposos), constituye un buen aislante térmico. TEJIDO SANGUÍNEO El tejido sanguíneo es la misma sangre. En los animales superiores la sangre consta de células y de abundante sustancia intercelular fluida, el plasma. Las células de la sangre son de tres tipos: a) Los glóbulos rojos o eritrocitos, responsables del transporte de gases, oxígeno y dióxido de carbono. b) Los glóbulos blancos o leucocitos, tienen como misión la lucha contra las células invasoras, especialmente bacterias, a las que fagocitan, y la producción de defensas contra células o moléculas extrañas. c) Las plaquetas, intervienen en la coagulación de la sangre. TEJIDO MUSCULAR El tejido muscular está constituido por células alargadas denominadas fibras musculares. Un conjunto de fibras musculares conforma un haz y el conjunto de haces, un músculo. En el citoplasma de las células musculares se encuentran microfilamentos constituidos por dos tipos de proteínas: la actina y la miocina. Estos microfilamentos son los responsables del movimiento de contracción muscular. El tejido muscular puede clasificarse según el tipo de fibras que lo conforman en tejido muscular liso, tejido muscular estriado y tejido muscular cardiaco. Tejido muscular liso. Está formado por células en forma de huso con extremos puntiagudos y un núcleo central. Sus microfilamentos son poco visibles, su contracción es lenta e involuntaria, por cuanto no responde al sistema nervioso voluntario. Este tejido se encuentra rodeando las paredes de los órganos internos del sistema digestivo, respiratorio, genital, urinario, etc. En la mayoría de estos órganos, las fibras del músculo liso se originan de tal forma que la contracción se realiza en forma alterna; esta situación facilita, por ejemplo, el paso del alimento a lo largo del tubo digestivo. Tejido muscular estriado. Está constituido por células que pueden medir varios centímetros de longitud y que presentan muchos núcleos. Este tejido presenta bandas claras y bandas oscuras de acuerdo con la disposición de los microfilamentos a lo largo de la fibra muscular, de ahí el nombre de estriado. Las células que conforman este tejido son estimuladas por el sistema nervioso central, por lo que su contracción es voluntaria, rápida y fuerte. Por lo general, este tejido se encuentra unido a dos o más huesos, bien sea directamente o por medio de los tendones, de tal forma que se convierten en los responsables del movimiento de los huesos. 20 Módulo de Ciencias Naturales 2012 La mayoría de estos tejidos trabajan en grupos antagónicos, por ejemplo, cuando se dobla el brazo, un músculo (el bíceps) se contrae y el otro (el tríceps) se relaja. Tejido muscular cardiaco. Está conformado por fibras estriadas, mononucleadas, que están ramificadas y unidas entre sí formando una malla. Su contracción es involuntaria y se encuentra formando el corazón. TEJIDO NERVIOSO El tejido nervioso comprende células nerviosas o neuronas y células de sostén. Las neuronas son células muy especializadas del tejido nervioso. Están diseñadas especialmente para recibir estímulos y transmitirlos en forma de impulsos eléctricos a otras neuronas u órganos. Las células de sostén son de dos tipos: unas de mayor tamaño, las de neuroglia, y otras menores, las de microglia. La neuroglia está formada por unas células estrelladas, que protegen y alimentan a las neuronas. La microglia está formada por unas células pequeñas con prolongaciones y con función fagocítica defensiva. LA NEURONA Y SUS PARTES En una neurona se distinguen las siguientes partes : un cuerpo celular que contiene el núcleo, unas prolongaciones citoplasmáticas cortas denominadas Dendritas, las cuales se encargan de recibir los estímulos de otras células y el axón que se encarga de transportar el impulso nervioso desde el cuerpo celular a otras células. Las dendritas y los axones también se denominan fibras nerviosas. Los nervios están conformados por un conjunto de muchas fibras nerviosas más una protección de tejido conjuntivo. Según la tarea específica que desempeñan se distinguen tres tipos de neuronas. Las neuronas sensoriales, se encargan de recibir la información para ser enviada al sistema nervioso central. Las neuronas motoras, se encargan de transportar la respuesta que ha sido elaborada en el sistema nervioso central, hacia los órganos respectivos. Las interneuronas, transmiten mensajes dentro del sistema nervioso central. 21 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 44 ORGANIZACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS La clasificación de los organismos es tan antigua como la existencia del ser humano. Antiguamente, el hombre clasificaba a los animales de acuerdo con su utilidad. Luego, en la época de la antigua Grecia, cuando el ser humano ya conocía más su entorno, los seres vivos se clasificaron, según su forma de vida, en nadadores, voladores y corredores. Posteriormente, durante el Renacimiento, época de grandes avances científicos, se hizo evidente la existencia de enorme cantidad de seres y la dificultad para clasificarlos. El conocimiento de esa gran variedad de seres se logró gracias a adelantos tecnológicos, como el microscopio, y a las exploraciones realizadas por los europeos, a tierras tropicales, en busca de recursos naturales. Fue precisamente durante esta época que el botánico sueco Karl von Linneo, ideó un sistema de clasificación en el que utilizó las mismas categorías que usamos actualmente. A partir del sistema ideado por Linneo, los sistemas de clasificación han tratado de reflejar la historia evolutiva de los organismos. Por ejemplo, hay estructuras llamadas homólogas, que tienen un mismo origen pero pueden tener funciones distintas; es el caso de las extremidades anteriores de los vertebrados que pueden dar lugar a los brazos, las patas, las aletas o las alas como adaptación a las funciones de coger, correr, nadar o volar, respectivamente. CLASES DE CARACTERES TAXONÓMICOS Actualmente los adelantos tecnológicos nos permiten tener en cuenta una gran cantidad de características o caracteres de los seres vivos antes de asignarlos a algún tipo de grupo o categoría taxonómica. Los principales caracteres usados pueden ser clasificados en cuatro grupos: morfológicos, fisiológicos, citológicos y bioquímicos. Los huesos de las extremidades anteriores de los cuatro vertebrados muestran una evolución en direcciones distintas para permitir diversas funciones. Caracteres morfológicos Los caracteres morfológicos son aquellos que toman como base la forma y el aspecto externo de los seres vivos. Estos caracteres fueron los primeros que utilizó el ser humano para clasificar a los organismos. Los caracteres morfológicos, a pesar de su gran utilidad, no reflejan las relaciones evolutivas o de parentesco existentes entre los organismos, pues muchos de estos pueden ser el resultado de adaptaciones al ambiente. Por ejemplo, las alas son una adaptación de los animales para poder volar, sin embargo, no todos los animales que tienen alas están emparentados. Es el caso de las aves y las mariposas. Las alas de las aves y de las mariposas son estructuras análogas, pues cumplen con la misma función, pero tienen un origen diferente. Caracteres fisiológicos Los caracteres fisiológicos son aquellos que tienen en cuenta las funciones que realizan los organismos para vivir. Por ejemplo, el tipo de respiración permite clasificar a las bacterias como aeróbicas y anaeróbicas. En el proceso respiratorio de las bacterias aeróbicas se utiliza oxígeno. En el proceso respiratorio de las bacterias anaeróbicas no se utiliza oxígeno. Caracteres citológicos Los caracteres citológicos se refieren a la estructura de las células que componen un organismo. Por ejemplo, de acuerdo con la presencia o ausencia de núcleo celular definido, es posible clasificar a los organismos en procariotas, como las bacterias, y en eucariotas, como los hongos, las plantas y los animales. De la misma forma, según la presencia o ausencia de pared celular, es 22 Módulo de Ciencias Naturales 2012 posible establecer una clara diferencia entre los animales, cuyas células no cuentan con esta estructura, de los hongos y de las plantas, que sí la poseen. Caracteres bioquímicos Los caracteres bioquímicos son aquellos que se derivan del estudio de la composición química de los seres vivos. En la actualidad, gracias a los adelantos logrados en el último siglo en el estudio de la composición química de los seres vivos, especialmente de su ADN, los caracteres bioquímicos se utilizan para establecer la clasificación de los organismos. LOS REINOS DE LA NATURALEZA ¿Cuántas especies pueblan La Tierra? Nadie lo sabe con certeza. La diversidad de seres vivos es tan grande que nuestra mente no puede concebirla. Durante siglos los naturalistas han intentado clasificar las especies conocidas siguiendo diversos criterios. Se necesita un sistema de clasificación que sirva para dar nombre a todos los seres vivos y que, a la vez, valga para agruparlos de forma lógica. La Taxonomía nos da las pautas para conseguir estos objetivos, clasificando los seres vivos en especies, que se agrupan en géneros, familias, órdenes... La actual sistemática de clasificación agrupa a todos los seres vivos en cinco grandes Reinos. Estos seres vivos se ordenan, teniendo en cuenta las relaciones evolutivas existentes entre ellos. LA CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS En La Tierra se conocen 1.700.000 especies distintas y se piensa que puede haber más de 3.000.000 todavía sin descubrir. Esta gran variedad de individuos se conoce como biodiversidad y los científicos, para poder estudiarlos, necesitan ordenarlos en grupos, es decir, clasificarlos. Se denomina Taxonomía a la ciencia que estudia la clasificación de los seres vivos. Las primeras clasificaciones se hicieron siguiendo criterios artificiales, como puede ser por el lugar donde vive el individuo, o por el tipo de comida que ingería. Esto provocó grandes errores de clasificación, como incluir en un mismo grupo a un pájaro y a una abeja por el simple hecho de volar. En la actualidad se utilizan criterios basados en el parentesco evolutivo entre las especies. La clasificación que sigue el criterio evolutivo se llama clasificación natural, y está basada en el concepto de especie. REINO MONERA El reino mónera está compuesto por diminutos organismos procariotas, que sólo es posible ver con la ayuda de un microscopio. Por lo general, son unicelulares, pero también es posible encontrarlos asociados formando colonias. Los móneras, además de ser los organismos más antiguos que habitan sobre la superficie de nuestro planeta, también son los más abundantes debido a su gran capacidad de reproducirse y de adaptarse casi a cualquier ambiente. Es posible encontrarlos desde las gélidas tierras de los polos hasta las cálidas tierras de los desiertos, y desde las profundidades de los océanos hasta los picos más altos. Dentro del reino mónera es posible encontrar dos grupos: las bacterias y cianobacterias o algas verde-azules. BACTERIAS Las bacterias, como cualquier organismo procariota, carecen de un núcleo definido y de organelos diferentes a los ribosomas. Además, poseen una membrana cubierta por una pared celular. De acuerdo con su forma, las bacterias pueden clasificarse en bacilos, cocos y espirilos. Los bacilos tienen forma de bastón, los cocos tienen forma esférica y los espirilos forman espirales. 23 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Según su nutrición, es posible encontrar bacterias heterótrofas y bacterias autótrofas. Las bacterias d heterótrofas se alimentan de otros organismos, generalmente muertos; las bacterias autótrofas tienen la capacidad de sintetizar su propio alimento a partir de sustancias inorgánicas como el azufre o el gas metano. De la misma manera, es posible encontrar bacterias aeróbicas, es decir, que necesitan oxígeno para vivir, y bacterias anaeróbicas, es decir, que no necesitan oxígeno. Aunque, en un principio, las bacterias siempre se asociaron a enfermedades, epidemias y otras situaciones adversas para el ser humano, con el mejoramiento de las técnicas de estudio de los organismos microscópicos esta percepción cambió. Actualmente, se sabe que, además de los efectos nocivos que algunas de estas pueden causar, también hay muchas que ofrecen beneficio y utilidad. Por ejemplo, en procesos ecológicos son vitales en la descomposición de los organismos muertos y en la devolución de sus nutrientes al medio. En procesos industriales, como la producción de vino, han sido utilizadas desde hace siglos y, actualmente, se emplean como vehículos para transportar material genético entre diferentes organismos. CIANOBACTERIAS Las cianobacterias o algas verde-azules se encuentran principalmente en el agua dulce de ríos o lagunas y en el agua salada de los mares y océanos. También es posible encontrarlas sobre superficies rocosas o sobre los troncos y las ramas de los árboles. Su estructura es muy similar a la de las bacterias, pero se diferencian de estas debido a la capacidad que tienen para realizar la fotosíntesis. Es posible encontrar algunas cianobacterias unicelulares, pero la mayoría se asocian para formar colonias o filamentos. REINO PROTISTA Los organismos que pertenecen al reino protista son todos eucariotas y casi siempre son unicelulares. También se les puede encontrar asociados formando estructuras multicelulares muy simples. Dentro del reino protista es posible encontrar: algas, protozoos y hongos inferiores. ALGAS Las algas son organismos unicelulares o multicelulares y están cubiertos por una pared celular. Tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis, es decir, de producir su propio alimento a partir de la luz del sol, del agua y del dióxido de carbono. Las algas usualmente viven en ambientes acuáticos como los ríos o los mares, pero también es posible encontrarlas sobre la superficie de las rocas y de los árboles. Debido a que necesitan luz para sus procesos vitales, las algas unicelulares, por lo general, se encuentran notando cerca de la superficie del agua y las multicelulares se encuentran en zonas poco profundas. Según su coloración, las algas pueden clasificarse en: clorofíceas, crisofíceas, feofíceas y rodofíceas. Las algas clorofíceas son algas verdes, unicelulares o multicelulares; habitan en ríos, mares, en las cortezas de algunos troncos y en la nieve. Las algas crisofíceas son algas doradas, unicelulares; habitan en ríos y mares. Las algas feofíceas son algas pardas, unicelulares; habitan en los mares. Las algas rodofíceas son algas rojas, multicelulares; habitan en los mares. 24 Módulo de Ciencias Naturales 2012 PROTOZOOS Los protozoos, o "primeros animales", son organismos heterótrofos unicelulares que habitan principalmente hábitats acuáticos, dulces o salados, aunque también es posible encontrarlos como parásitos de plantas y de animales. A diferencia de las algas, los protozoos carecen de pared celular y no tienen la capacidad de producir su propio alimento por lo que la mayoría debe desplazarse para conseguirlo. Para lograr esto, la membrana celular de muchos de ellos tiene la capacidad de desarrollar estructuras que le permiten el movimiento. Así, los flagelados cuentan con flagelos, los ciliados con cilios y los seudópodos tienen la capacidad de modificar su forma para producir falsos pies. HONGOS INFERIORES Los hongos inferiores o mucilaginosos se clasifican dentro de los protistas debido a que durante gran parte de su vida se mueven gracias a seudópodos. Se les encuentra sobre hojas, troncos o animales muertos, pues aceleran el proceso de descomposición. REINO FUNGÍ Los organismos que pertenecen al reino fungi o de los hongos son eucariotas, heterótrofos y sus células están cubiertas por una pared celular. La mayoría son multicelulares, pero es posible encontrar algunos unicelulares. En los hongos multicelulares las células se agrupan formando filamentos que reciben el nombre de hifas, las cuales, en conjunto, forman el cuerpo del hongo conocido como micelio. Debido a que los hongos no pueden sintetizar su propio alimento ni pueden desplazarse para buscarlo, las hifas se encuentran en constante crecimiento y se ponen, de esta manera, en contacto con nuevas sustancias alimenticias. Los hongos pueden ser saprofitos si se alimentan de materia orgánica en descomposición, parásitos si se alimentan de los líquidos internos de otros seres vivos, y mutualistas en caso de que formen asociaciones benéficas con otros organismos. Los hongos, además de ser importantes en procesos ecológicos como recicladores de nutrientes, también se utilizan para obtener medicinas y elaborar diferentes productos como el pan. Sin embargo, algunos hongos son indeseables pues son responsables de muchas enfermedades, plagas de cultivos y daños a productos. Los hongos pueden clasificarse en cuatro grupos: zigomicetos, ascomicetos, basidiomicetos y deuteromicetos. ZIGOMICETOS Los zigomicetos son, principalmente, hongos terrestres que viven en el suelo donde se alimentan de materia animal o vegetal muerta. Muchos zigomicetos forman micorrizas, es decir, asociaciones mutualistas con las raíces de las plantas. Los hongos se encargan de disolver y poner a disposición de la planta muchos nutrientes del suelo, a cambio de que estas les den un poco de sus productos fotosintéticos. ASCOMICETOS Los ascomicetos, que son la clase más abundante de hongos, reciben este nombre debido a que sus esporas se forman en pequeñas bolsas conocidas como ascos. Los ascomicetos revisten especial importancia económica pues muchos de ellos se utilizan en procesos productivos, como la fabricación de vino, pan o antibióticos. Sin embargo, algunos de estos atacan los alimentos o las plantas. BASIDIOMICETOS Los basidiomicetos son aquellos que desarrollan sus esporas en láminas conocidas como basidios. Dentro de los basidiomicetos es posible encontrar hongos comestibles, como los champiñones; venenosos, como aquellos hongos rojos que crecen cerca de los pinos llamados amanitas; y alucinógenos, como muchos de los usados por culturas indígenas centroamericanas. DEUTEROMICETOS Los deuteromicetos u hongos imperfectos son aquellos que no se reproducen de manera sexual. Entre los hongos pertenecientes a esta división hay algunos que son parásitos de las plantas y de los animales a los que causan enfermedades; otros, se utilizan en la industria para la fabricación de quesos y de antibióticos. 25 Módulo de Ciencias Naturales 2012 ESTRUCTURA DE UN HONGO EL REINO VEGETAL El reino vegetal está compuesto por organismos eucariotas multicelulares que son capaces de sintetizar su propio alimento, a través del proceso de la fotosíntesis. Algunas de sus características son: En la mayoría de las plantas se distinguen tres partes: la raíz, que es el órgano que se encarga de fijar la planta al suelo y de absorber agua y sales minerales del suelo; el tallo, es el órgano que comunica la raíz con las hojas y las hojas, que son los órganos donde se realiza la fotosíntesis. Las células de las plantas están rodeadas por una pared celular, lo que les ayuda a adquirir rigidez y resistencia. Además, en el interior de las células se encuentran los cloroplastos, que son los orgánulos responsables de la fotosíntesis. La superficie de todas las células encargadas de realizar la fotosíntesis están cubiertas por cutícula, que es una sustancia impermeable, como la que se encuentra cubriendo tus uñas. Esta sustancia evita la pérdida de agua en la planta. A diferencia de las bacterias, los protistas y los hongos, las células de las plantas se especializan en diversas funciones, es decir, forman tejidos. De acuerdo con la presencia o ausencia de estructuras especializadas en el transporte de sustancias, las plantas se pueden clasificar como: briofitas o plantas no vasculares y traqueofitas o plantas vasculares. Briofitas o plantas no vasculares Las briofitas son plantas pequeñas que no tienen tejidos vasculares especializados en el transporte de sustancias, no producen flores ni frutos. Además, no poseen raíces sino unos pelillos que las fijan a las rocas y que se conocen como rizoides. Viven en lugares muy húmedos formando finos tapices sobre las rocas, el suelo y los troncos de los árboles. Los musgos y las hepáticas son ejemplos de plantas no vasculares. Traqueofitas o plantas vasculares Las traqueofitas o plantas vasculares, como su nombre lo indica, son aquellas que cuentan con estructuras especializadas para el transporte de agua, savia y sales a través de todo su cuerpo. Debido al desarrollo de tejidos conductores y de sostén, las plantas vasculares pueden alcanzar tamaños mucho mayores a los de las briofitas. Las traqueofitas se clasifican en pteridofitas, gimnospermas y angiospermas. LOS PTERIDOFITOS Los pteridofitos al igual que los briofitos no producen flores, pero a diferencia de ellos, poseen células en tejidos vasculares primitivos que transportan agua y nutrientes. Los pteridofitos viven en bosques y en ambientes húmedos y sombríos. Tienen hojas aciculares, es decir, en forma de aguja. Entre los pteridofitos se encuentran los helechos, los licopodios y los equisetos. LAS GIMNOSPERMAS Las gimnospermas, como los pinos y los cedros, producen estructuras similares a flores, agrupadas en conos o piñas donde se forman las semillas. Si alguna vez te has acercado a un pino es posible que hayas visto que hay conos de dos tamaños, los grandes son los femeninos donde se encuentran los óvulos, y los pequeños son los masculinos donde se encuentra el polen. En las gimnospermas, a diferencia de lo que sucede con los helechos y los musgos, el polen producido por los conos masculinos es transportado por el viento hasta un cono femenino donde fecunda el óvulo y de esta manera se produce la semilla. Las semillas de las gimnospermas se encuentran protegidas por las fuertes escamas del cono, pero no dentro de frutos. 26 Módulo de Ciencias Naturales 2012 LAS ANGIOSPERMAS Las angiospermas son el grupo más diverso y abundante de plantas que existe actualmente sobre la superficie del planeta. Es posible encontrarlas en casi todos los hábitats terrestres, gracias a la presencia de cuatro adaptaciones: vasos conductores, flores, semillas protegidas dentro de un fruto y hojas anchas. a) Los vasos conductores, como el xilema y el floema, hacen eficiente el transporte de agua al igual que el transporte de las sustancias absorbidas por las raíces y de los productos elaborados durante la fotosíntesis. b) Las flores, que muchas veces son de colores llamativos, producen las estructuras reproductivas de las angiospermas: los óvulos y el polen. A diferencia de lo que ocurre con las gimnospermas, las angiospermas no sólo dependen del viento para el transporte del polen, sino que también se asocian con insectos, aves y mamíferos para este fin. c) Los frutos de las angiospermas muchas veces son apetecidos por los animales los cuales, a cambio de comérselos, transportan sus semillas, hasta lugares aptos para su germinación. d) Las hojas de las angiospermas son más anchas que las de las gimnospermas. Esto hace que su superficie fotosintética sea más amplia, por eso son más eficientes en la producción de su propio alimento. Musgo Helecho Naranjo Pino REINO ANIMAL El reino animal está compuesto por organismos multicelulares eucariotas que no tienen la capacidad de producir su propio alimento, por lo que deben consumir otros organismos. Para hacer esto, los animales tienen la capacidad de moverse y responder rápidamente ante los estímulos. Las células de los animales no tienen pared celular, y al igual que las células de las plantas, se especializan y reúnen para formar tejidos. Sin embargo, a diferencia de las plantas, en la mayoría de los animales los diferentes tejidos se asocian para formar órganos, los cuales, a su vez, se asocian para formar sistemas. De acuerdo con la ausencia o presencia de una columna vertebral, los animales pueden clasificarse como: invertebrados y cordados. Animales invertebrados Los invertebrados son un grupo muy diverso de animales, que no poseen esqueleto interno. Los invertebrados, que representan ocho de los nueve filos del reino y cerca del 90% de todas las especies de animales conocidas, se encuentran en casi todos los ambientes terrestres, donde son de gran importancia en diferentes procesos ecológicos. Dentro de los invertebrados encontramos animales tan simples como las esponjas marinas o los corales y otros más evolucionados y complejos como los pulpos o los insectos. En el cuadro que observas a continuación, puedes apreciar los principales filos de los invertebrados y algunas de sus características. Cordados Los cordados son un grupo de animales que se caracteriza por tener un corazón en la parte ventral del cuerpo, un cordón nervioso central, una cola y un notocordio, que es una estructura similar a la columna vertebral. Dentro de los cordados se encuentran los pocos representantes que sobreviven de sus ancestros, los cuales carecen de columna vertebral y, por lo tanto, son cordados invertebrados y los vertebrados como los peces, los anfibios, los reptiles, las aves y los mamíferos. Los animales vertebrados son aquellos que poseen un esqueleto interno cuyo eje es la columna vertebral, y en el que la evolución y eficiencia de los sistemas adquieren su máxima expresión gracias a la aparición de un cerebro que se aloja dentro de un cráneo y de órganos sensoriales especializados como los ojos, los oídos o la nariz. Los vertebrados tienen cuatro extremidades con diferente función en cada uno de ellos: en los peces son aletas, en los anfibios y reptiles son patas, en las aves, patas y alas y en los mamíferos, patas y brazos. Todos los vertebrados tienen un sistema circulatorio impulsado por el corazón, que es el encargado de llevar el oxígeno hacia las células, tejidos y órganos internos del cuerpo. 27 Módulo de Ciencias Naturales 2012 En el cuadro que aparece a continuación, puedes apreciar algunas de las características de los invertebrados y vertebrados. PRINCIPALES FILOS DE LOS INVERTEBRADOS GRUPOS DE LOS VERTEBRADOS 28 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 55 FUNCIONES DE LOS SERES VIVOS Los seres vivos son los que tienen vida. Ello significa que realizan una serie de actividades que les permiten vivir y adaptarse al medio. Estas actividades se llaman funciones vitales y son las siguientes: CRECIMIENTO Y DESARROLLO. En algún momento de su ciclo de vida TODOS los organismos crecen. En sentido biológico, crecimiento es el aumento del tamaño celular, del número de células o de ambas. Aún los organismos unicelulares crecen, las bacterias duplican su tamaño antes de dividirse nuevamente. El crecimiento puede durar toda la vida del organismo como en los árboles, o restringirse a cierta etapa y hasta cierta altura, como en la mayoría de los animales. El desarrollo incluye todos los cambios que ocurren durante la vida de un organismo, el ser humano sin ir más lejos se inicia como un óvulo fecundado. Mediante la reproducción, los seres vivos se perpetúan, es decir, todos los seres vivos proviene de otros seres vivos. En el Reino Animal se dan los dos tipos de reproducción que existen en todos los seres vivos: Reproducción asexual: a partir de un organismo se obtiene la descendencia directamente, por bipartición o por formación de esporas. Todos los organismos son idénticos genéticamente, como si fueran clonados. Este tipo de reproducción en el reino animal se da exclusivamente en los más primitivos y menos evolucionados, los Poríferos y los Cnidarios. En este tipo de organismos no existen sexos. TIPOS DE REPRODUCCION ASEXUAL La bipartición consiste en la división de una célula madre en dos células hijas del mismo tamaño. Es característico de las bacterias. En la gemación, la célula hija es menor que la célula madre, y posteriormente alcanza el mismo tamaño. Es propio de las levaduras. La esporulación consiste en la formación de muchas células a partir de la célula madre. Este mecanismo es característico de los hongos. Reproducción sexual: aparecen células diferenciadas que se encargan de producir los gametos masculino y femenino, que al unirse darán lugar al nuevo ser. Los descendientes no son idénticos a los progenitores y aparece la variabilidad genética. Se da en todos los grupos del reino animal. Con la reproducción sexual, aparecen los sexos, pero en el reino animal podemos encontrarnos con dos situaciones. a. Especies con los dos sexos en el mismo individuo: especies hermafroditas, en estas especies existen células que produce el gameto femenino y otras que producen el gameto masculino. Aunque luego la fecundación es cruzada, es decir un individuo de una especie hermafrodita no se fecunda a sí mismo. en los anélidos podemos encontrar ejemplos de especies hermafroditas. b. Especies con diferencias anatómicas y funcionales entre los dos sexos: existe un sexo femenino que produce óvulos y un sexo masculino que produce espermatozoides. En cuanto a la fecundación, esta puede ser: Fecundación externa, como en muchos grupos de peces: la hembra expulsa los huevos sin fecundar al exterior y el macho los cubre con su esperma. Fecundación interna: la fecundación se produce dentro del cuerpo de la hembra, para ellos se desarrollan órganos copuladores, se da, por ejemplo, en mamíferos. 29 Módulo de Ciencias Naturales 2012 DESARROLLO Ovíparo: el nuevo animal se desarrolla dentro de un huevo. Se da en toda la escala animal excepto en mamíferos. Vivíparo: el nuevo animal se desarrolla dentro del cuerpo de la madre. Se da en los mamíferos METABOLISMO Los organismos necesitan materiales y energía para mantener su elevado grado de complejidad y organización, para crecer y reproducirse. Los átomos y moléculas que forman los organismos pueden obtenerse del aire, agua, del suelo o a partir de otros organismos. La suma de todas las reacciones químicas de la célula que permiten su crecimiento, conservación y reparación, recibe el nombre de metabolismo. El metabolismo es anabólico cuando estas reacciones químicas permiten transformar sustancias sencillas para formar otras complejas, lo que se traduce en almacenamiento de energía, producción de nuevos materiales celulares y crecimiento. Catabolismo, quiere decir desdoblamiento de sustancias complejas con liberación de energía. En toda la escala del reino animal, se han desarrollado diferentes sistemas para conseguir el alimento, estos sistemas han ido evolucionando y haciéndose más complejos. Así tenemos desde animales en los que los alimentos llegan directamente a todas las células, no ha desarrollado un aparato especializado en la nutrición, como los Poríferos y los Cnidarios: Hasta los que han desarrollado un verdadero sistema digestivo, cuyo ejemplo más desarrollado es el aparato digestivo de la especie humana. En los invertebrados, a partir de los anélidos, se desarrolla un aparato digestivo que recorre todo el animal y que comienza en un orificio de entrada, la boca, y termina en un orificio de salida, el ano. En los vertebrados, todos los grupos presentan un aparato digestivo que se va haciendo más complejo y con órganos y tejidos semejantes al de la especie humana. El aparto digestivo de la mayoría de los grupos que forma en Reino Animal presenta adaptaciones al tipo de alimentación. Así, en el reino animal podemos distinguir: Animales herbívoros: aquellos que se alimentan de especies vegetales. Animales carnívoros: aquellos que se alimentan de otros animales: Animales omnívoros: los que se alimentan tanto de vegetales como de animales: Animales parásitos, viven dentro de otro animal o en su superficie, y se alimentan de su huésped, causándole perjuicios HOMEOSTASIS Las estructuras organizadas y complejas no se mantienen fácilmente, existe una tendencia natural a la pérdida del orden denominado entropía. Para mantenerse vivos y funcionar correctamente los organismos vivos deben mantener la constancia del medio interno de su cuerpo, proceso denominado homeostasis (del griego "permanecer sin cambio"). Entre las condiciones que se deben regular se encuentra: la temperatura corporal, el pH , el contenido de agua, la concentración de electrolitos etc. Gran parte de la energía de un ser vivo se destina a mantener el medio interno dentro de límites homeostáticos. IRRITABILIDAD Los seres vivos son capaces de detectar y responder a los estímulos que son los cambios físicos y químicos del medio ambiente, ya sea interno como externo. Entre los estímulos generales se cuentan: Luz: intensidad, cambio de color, dirección o duración de los ciclos luz-oscuridad Presión Temperatura Composición química del suelo, agua o aire circundante. En organismos sencillos o unicelulares, TODO el individuo responde al estímulo, en tanto que en los organismos complejos multicelulares existen células que se encargan de detectar determinados estímulos. 30 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 66 LOS SISTEMAS Nuestro cuerpo también es una máquina y, como tal, necesita combustible para trabajar y para desarrollar todas sus actividades: correr, saltar, caminar, jugar, pensar y todo aquello que es capaz de realizar el hombre. Además, en cada acción y con el paso de los años las células del cuerpo y los tejidos se van gastando y deben ser repuestos. También deben fabricarse las células y tejidos para que el cuerpo crezca y se desarrolle desde su nacimiento. EL SISTEMA MUSCULAR El cuerpo humano contiene más de 650 músculos individuales fijados al esqueleto, que proporcionan el impulso necesario para realizar movimientos. Estos músculos constituyen alrededor del 40% del peso total del cuerpo. Generalmente, los músculos están unidos por resistentes estructuras fibrosas denominadas tendones. Estas uniones conectan una o más articulaciones, y el resultado de la contracción muscular es el movimiento de las articulaciones. El cuerpo se mueve principalmente por grupos musculares, no por músculos individuales. Estos grupos de músculos impulsan todo tipo de acciones, desde enhebrar una aguja hasta levantar objetos pesados. Funciones de los músculos Produce movimiento. Generan energía mecánica por la transformación de la energía química Da estabilidad articular. Sirve como protección. Mantenimiento de la postura. Es el sentido de la postura o posición en el espacio, gracias a terminaciones nerviosas incluidas en el tejido muscular. Información del estado fisiológico del cuerpo, por ejemplo un cólico renal provoca contracciones fuertes del músculo liso generando un fuerte dolor, signo del propio cólico. Aporte de calor, por su abundante irrigación, por la fricción y por el consumo de energía. Estimulante de los vasos linfáticos y sanguíneos. Por ejemplo, la contracción de los músculos de la pierna bombean ayudando a la sangre venosa y la linfa a que se dirijan en contra de la gravedad durante la marcha. Clases de músculos Existen tres clases de músculos muy diferentes por su función: Los músculos lisos recubren los órganos huecos del cuerpo, como todo el tubo digestivo y los vasos sanguíneos. Realizan su función independientemente de nuestra voluntad, por lo que también se llaman involuntarios. Sus movimientos son lentos y contribuyen al funcionamiento de los órganos internos; por ejemplo, permiten el tránsito de los alimentos por el tubo digestivo. Los músculos esqueléticos son los que están unidos a los huesos. Sus movimientos son rápidos y voluntarios. Son, junto al sistema esquelético, los que forman parte del aparato locomotor, y los que realizan el movimiento del esqueleto. Los músculos cardíacos forman parte del corazón (miocardio). Su contracción es rápida e involuntaria. 31 Módulo de Ciencias Naturales 2012 MUSCULOS IMPORTANTES DEL CUERPO HUMANO En la Cabeza Los que utilizamos para masticar, llamados Maceteros. El músculo que permite el movimiento de los labios cuando hablamos: Orbicular de los labios. Los que permiten abrir o cerrar los párpados: Orbiculares de los ojos. Los que utilizamos para soplar o silbar, llamados Bucinadores. En el Cuello Los que utilizamos para doblar la cabeza hacia los lados o para hacerla girar: se llaman Esterno - cleido mastoideos. Los que utilizamos para moverla hacia atrás: Esplenio. En El Tronco. (Visión Posterior). Los utilizados en la respiración: Intercostales, Serratos, en forma de sierra, el diafragma que separa el tórax del abdomen. Los pectorales, para mover el brazo hacia adelante y los dorsales, que mueven el brazo hacia atrás. Los trapecios, que elevan el hombro y mantienen vertical la cabeza. 32 Módulo de Ciencias Naturales 2012 En Los Brazos El Deltoides que forma el hombro. El Bíceps Braquial que flexiona el antebrazo sobre el brazo. El Tríceps Branquial que extiende el antebrazo. Los pronadores y supinadores hacen girar la muñeca y la mano. (Antebrazo) Los flexores y extensores de los dedos. Músculos de la Mano En Las Extremidades Inferiores Los glúteos que forman las nalgas. El sartorio que utilizamos para cruzar una pierna sobre la otra. El Bíceps crural está detrás, dobla la pierna por la rodilla. El tríceps está delante, extiende la pierna. Los gemelos son los que utilizamos para caminar, forman la pantorrilla, terminan en el llamado tendón de Aquiles. Los flexores y extensores de los dedos. (Músculos del pie) 33 Módulo de Ciencias Naturales 2012 DESCRIPCIÓN SIMPLE DE LA FUNCIÓN MOTRIZ DE LOS MÚSCULOS. LOS MÚSCULOS DEL TRONCO CARA ANTERIOR Músculo Articulación Función motriz Esternocleidomastoideo Cuello Flexión del cuello, rotación de la cabeza Pectoral Hombro Elevación de los brazos por delante Abdominales Columna vertebral Flexión de tronco hacia delante Oblicuos Columna vertebral Flexión tronco Músculo Articulación Función motriz Trapecio Cuello Extensión del cuello, elevación de los hombros lateral Movimiento del CARA POSTERIOR 34 Movimiento Módulo de Ciencias Naturales 2012 Dorsal Hombro Elevación de brazos por detrás Lumbar Columna vertebral Extensión del tronco Cadera Elevación de la pierna por detrás o extensión de la cadera Glúteo los Los músculos de las extremidades superiores Músculo Articulación Función motriz Deltoides Hombro Elevación del brazo lateralmente Bíceps Codo Flexión del brazo Tríceps Codo Extensión del brazo 35 Movimiento Módulo de Ciencias Naturales 2012 Flexores y extensores Muñeca de la mano Flexión y extensión de la mano Los músculos de las extremidades inferiores Músculo Articulación Función motriz Cuadriceps Rodilla Extensión de la pierna Isquiotibiales Rodilla Flexión de la pierna Gemelos Tobillo Extensión del pie Tibial anterior Tobillo Flexión del pie Movimiento EL SISTEMA ÓSEO Este tejido es un tipo de tejido conectivo. Se caracteriza por estar formado por células rodeadas de una sustancia denominada matriz ósea, donde abunda gran cantidad de fibras proteicas, sales minerales, principalmente de fosfato y carbonato cálcico y células óseas. Tenemos más de doscientos huesos, unas cien articulaciones y más de 650 músculos actuando coordinadamente. Gracias a la colaboración entre huesos y músculos mantenemos la postura y realizamos múltiples acciones. El tejido óseo combina células vivas (osteoblastos, osteocítos y osteoclastos) y materiales inertes (sales de calcio y fósforo), además de sustancias orgánicas de la matriz ósea como el colágeno, proteína que también está presente en otros tejidos. Los huesos son órganos vivos que se están renovando constantemente, gracias a las células óseas. Los osteoclastos son células que destruyen el hueso, y éste es reemplazado por una nueva matriz ósea que fabrican los osteocítos. En el hueso se pueden distinguir, al microscopio óptico, dos tipos de tejidos óseos: Tejido óseo compacto Tejido óseo esponjoso 36 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Tejido compacto: Se encuentra en la capa externa de los huesos largos formando la diáfisis, en el exterior y en el interior de los huesos planos y en distintas zonas en los huesos cortos, según cada hueso en concreto. Es un tejido duro, denso y frágil. Al observarlo al microscopio destacan estructuras cilíndricas, denominadas osteonas, formadas por capas concéntricas de laminillas óseas, donde se encuentran insertos los osteocitos. En el interior de la osteona hay un canal, el conducto de Havers, por donde circulan vasos sanguíneos, linfáticos y nervios. Los vasos sanguíneos aportan los nutrientes necesarios a las células de los huesos y conducen las hormonas que controlan el aporte de calcio. También aparecen canales que conectan unos conductos de Havers con otros. Estos conductos se llaman conductos de Volkmann. Tejido óseo esponjoso: Se encuentra en la zona interna de huesos largos y planos. Forma la epífisis en los huesos largos. En los huesos cortos forman el interior y zonas del exterior. LOS HUESOS Los huesos son estructuras duras que tenemos todos los animales vertebrados. Los huesos pueden ser de distintos tamaños y formas, pero en todos podemos distinguir algunas de las siguientes partes: Epífisis: son las zonas ensanchadas y terminales de un hueso largo. Diáfisis: es la zona alargada del hueso. También se le denomina caña. Metáfisis: zona de transición entre la epífisis y la diáfisis. En épocas de crecimiento esta zona se encuentra separada de la epífisis por el cartílago de crecimiento. Apófisis: salientes del hueso donde se insertan músculos, tendones y ligamentos. Agujeros: o conductos óseos, son zonas donde entran o salen arterias y venas con la función de nutrir al hueso. Cavidades: lugares donde se alojan las apófisis, los tendones, las arterias, los músculos o los órganos. TIPOS DE HUESOS Los huesos se pueden clasificar atendiendo a su forma en: Huesos largos: son más largos que anchos. Actúan como palancas en el movimiento. Huesos cortos: son más o menos cúbicos. Ocupan lugares pequeños y su función es transmitir la fuerza. Huesos planos: actúan como protectores de órganos o para la inserción muscular. ARTICULACIONES La articulación es una estructura que pone en contacto dos o más hueso mediante un tejido, más o menos blando, que permite al esqueleto rígido adoptar distintas posturas. Aunque existen varios tipos de articulaciones todas tienen los siguientes elementos: Superficie articular: zona de contacto entre los huesos. Cartílago articular: tejido que recubre la superficie articular. Ligamentos articulares. Conjunto de fibras que unen un hueso con otro, reforzando la articulación. Dependiendo de la movilidad que presenten los huesos gracias a la articulación, se distinguen tres tipos: 37 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Articulaciones inmóviles, fijas o sinartrosis: Se encuentran generalmente entre huesos planos, produciéndose una unión estable que no permite el movimiento. Los huesos se unen directamente entre sí mediante bordes con entrantes y salientes (dentados), formando una sutura. Por ejemplo, encontramos este tipo de articulación en los huesos que conforman el cráneo. Articulaciones semimóviles o anfiartrosis : Son aquellas que permiten cierta movilidad. Los huesos de la articulación no entran en contacto; entre ellos se localiza una estructura denominada fibrocartílago de unión. Todo ello tiene como elementos de sujeción a los ligamentos, que están formados por un tejido conjuntivo fibroso. Un ejemplo claro lo encontramos en la columna vertebral. Las vértebras se encuentran separadas por discos intervertebrales que confieren cierta movilidad, pero todo el conjunto de vértebras, discos y ligamentos permiten los movimientos de flexión, giro o extensión de la columna. Articulaciones móviles o diartrosis: Articulaciones que permiten gran variedad de movimientos debido a su complejidad. Los huesos de la articulación no entran en contacto, ya que los extremos del hueso están recubiertos de un tejido cartilaginoso denominado lámina cartilaginosa. Esta zona está lubricada por el líquido sinovial que se encuentra encerrado en la bolsa sinovial. Algunas diartrosis están constituidas además por almohadillas cartilaginosas, denominadas meniscos. Éstas sirven de amortiguadores y adaptan los huesos de la articulación. Todo el conjunto está reforzado por bandas de tejido fibroso, que son los ligamentos. Se pueden distinguir diferentes subtipos de articulaciones móviles, atendiendo al movimiento que permiten realizar: Deslizamiento (artrodias): se producen en las articulaciones de la muñeca y el tobillo. Flexión en un plano (trocleares): se encuentran en el codo y la rodilla. Rotación (enartrosis): se encuentran en el hombro y la cadera. PRINCIPALES TIPOS DE ARTICULACIONES TENDONES Y LIGAMENTOS 38 Módulo de Ciencias Naturales 2012 39 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 77 LA ECOLOGÍA La Ecología es la ciencia que estudia las relaciones de los organismos entre sí y con el ambiente que los rodea. También analiza la influencia de las actividades humanas sobre el ambiente. El ecosistema de mayor tamaño que se puede considerar es el planeta Tierra. Sin embargo, se delimitan ecosistemas menores, como una laguna, una selva, un desierto o un bosque. Un charco formado tras una intensa lluvia, o un tronco caído, lleno de arañas, hormigas y hongos, son pequeños ecosistemas. Es una ciencia de síntesis, pues para comprender la compleja trama de relaciones que existen en un ecosistema toma conocimientos de botánica, zoología, fisiología, genética y otras disciplinas como la física, la química y la geología. En 1869, el biólogo alemán Ernest Haeckel acuñó el término ecología, remitiéndose al origen griego de la palabra (oikos, casa; logos, ciencia, estudio, tratado). Según entendía Haeckel, la ecología debía encarar el estudio de una especie en sus relaciones biológicas con el medio ambiente. Otros científicos se ocuparon posteriormente del medio en que vive cada especie y de sus relaciones simbióticas y antagónicas con otras. Hacia 1925, August Thienemann, Charles Elton y otros impulsaron la ecología de las comunidades. Trabajaron con conceptos como el de cadena alimentaria, o el de pirámide de especies, en la que el número de individuos disminuye progresivamente desde la base hasta la cúspide, desde las plantas hasta los animales herbívoros y los carnívoros. ¿POR QUÉ LA ECOLOGÍA ES UNA CIENCIA MULTIDISCIPLINARIA? La Ecología utiliza a la Física porque todos los procesos bióticos tienen que ver con la transferencia de energía, desde los productores, que aprovechan la energía lumínica para producir compuestos orgánicos complejos, hasta las bacterias, que obtienen energía química mediante la desintegración de las estructuras moleculares de otros organismos. La Química se usa en Ecología porque todos los procesos metabólicos y fisiológicos de los biosistemas dependen de reacciones químicas. Además, los seres vivientes hacen uso de las substancias químicas que se encuentran en el entorno. La Ecología se relaciona con la Geología porque la estructura de los biomas depende de la estructura geológica del ambiente. Los seres vivientes también pueden modificar la geología de una región. Para la Ecología la Geografía es una disciplina muy importante a causa de la distribución específica de los seres vivientes sobre la Tierra. Las matemáticas son imprescindibles para la Ecología, por ejemplo para el cálculo, la estadística, las proyecciones y extrapolaciones cuando los Ecólogos tratan con información específica acerca del número y la distribución de las especies, la evaluación de la biomasa, el crecimiento demográfico, la extensión de las comunidades y la biodiversidad, y para cuantificar las presiones del entorno en un bioma dado. La Climatología y la Meteorología son disciplinas significativas que ayudan a los Ecólogos a entender cómo las variaciones en las condiciones del clima en una región dada influyen en la biodiversidad. La Climatología y la Meteorología ayudan a los Ecólogos para saber cómo los cambios regionales o globales del clima aumentan o reducen las probabilidades de supervivencia de los individuos, las poblaciones y las comunidades en una región dada, y para relacionar el clima regional con la distribución de los organismos sobre el planeta. EL HÁBITAT Y EL NICHO ECOLÓGICO El hábitat es el lugar físico de un ecosistema que reúne las condiciones naturales donde vive una especie y al cual se halla adaptada. El nicho ecológico es el modo en que un organismo se relaciona con los factores bióticos y abióticos de su ambiente. Incluye las condiciones físicas, químicas y biológicas que una especie necesita para vivir y reproducirse en un ecosistema. La temperatura, la humedad y la luz son algunos de los factores físicos y químicos que determinan el nicho de una especie. Entre los condicionantes biológicos están el tipo de alimentación, los depredadores, los competidores y las enfermedades, es decir, especies que rivalizan por las mismas condiciones. EL ECOSISTEMA Ecosistema es el conjunto de todos los organismos (factores bióticos) que viven en comunidad y todos los factores no vivientes (factores abióticos) con los cuales los organismos actúan de manera recíproca. 40 Módulo de Ciencias Naturales 2012 En un ecosistema acuático la biodiversidad, o número de especies vegetales y animales que habitan en él, es menor que en uno terrestre. La base nutritiva está en el fitoplancton y en el zooplancton. La escala va en ascenso desde los peces y batracios hasta las aves acuáticas como el pato, y aéreas como el águila. En todos los ecosistemas se distinguen dos tipos de componentes: bióticos y abióticos. Los componentes bióticos son los seres vivos que habitan el lugar, como las plantas, los animales y los microorganismos. Los componentes abióticos son el agua, la luz, la temperatura y el suelo. FACTORES ABIÓTICOS Los factores abióticos son los factores inertes del ecosistema, como la luz, la temperatura, los productos químicos, el agua y la atmósfera. Luz: La luz es un factor abiótico esencial del ecosistema, dado que constituye el suministro principal de energía para todos los organismos. La energía luminosa es convertida por las plantas en energía química gracias al proceso llamado fotosíntesis. Ésta energía química es encerrada en las substancias orgánicas producidas por las plantas. La Atmósfera: La presencia de vida sobre nuestro planeta no sería posible sin nuestra atmósfera actual. La estructura de la atmósfera terrestre es la ideal para el origen y la perpetuación de la vida como la conocemos. Su constitución hace que la atmósfera terrestre sea muy especial. La atmósfera terrestre está formada por cuatro capas concéntricas sobrepuestas que se extienden hasta 80 kilómetros. Elementos químicos: Los organismos están constituidos por materia. De los 92 elementos naturales conocidos, solamente 25 elementos forman parte de la materia viviente. De estos 25 elementos, el Carbono, el Oxígeno, el Hidrógeno y el Nitrógeno están presentes en el 96 % de las moléculas de la vida. Los elementos restantes llegan a formar parte del 4 % de la materia viva, siendo los más importantes el Fósforo, el Potasio, el Calcio y el Azufre. Agua: El agua (H2O) es un factor indispensable para la vida. La vida se originó en el agua, y todos los seres vivos tienen necesidad del agua para subsistir. El agua forma parte de diversos procesos químicos orgánicos, por ejemplo, las moléculas de agua se usan durante la fotosíntesis, liberando a la atmósfera los átomos de oxígeno del agua. FACTORES BIÓTICOS Los factores Bióticos son todos los organismos que comparten un ambiente. Los componentes Bióticos son toda la vida existente en un ambiente, desde los protistas, hasta los mamíferos. Los individuos deben tener comportamiento y características fisiológicas específicos que permitan su supervivencia y su reproducción en un ambiente definido. NIVELES TRÓFICOS EN LOS ECOSISTEMAS La energía y los nutrientes pasan por varios niveles alimenticios. Cada uno de esos niveles se llama en Ecología "Nivel Trófico". La suma de todos los niveles tróficos de un ecosistema se llama cadena alimenticia. Las relaciones alimenticias en un ecosistema en conjunto se llaman "Red Alimenticia". 41 Módulo de Ciencias Naturales 2012 En un ecosistema sencillo, los niveles tróficos son: Productores (plantas y/o fitoplancton). Consumidores Primarios (herbívoros y/o zooplancton). Consumidores Secundarios (carnívoros que se alimentan de los consumidores primarios, o sea, de los herbívoros). Consumidores Terciarios y Cuaternarios (carnívoros que se alimentan de carnívoros). Ejemplo: Una cadena alimenticia terrestre: Productores: césped, arbustos y árboles. Consumidores primarios: saltamontes (comedores de plantas). Consumidores secundarios: pájaros (insectívoros). Consumidores Terciarios: serpientes (comedores de pájaros). Consumidores Cuaternarios: Búhos (comedores de serpientes). Finalmente, los factores bióticos y sus productos son reciclados (descompuestos) por los detritívoros (Bacterias, hongos, y algunos animales). NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN ECOLOGÍA Los niveles de organización se refieren a la estructuración de un sistema determinado, desde el nivel más simple hasta los niveles más complejos. En Ecología, los niveles de organización son los siguientes: SER: Cualquier cosa que existe. Hay seres vivos, por ejemplo, bacterias, hongos, protozoarios, algas, animales, plantas, etc., y seres inertes, como los virus, una roca, el agua, la luz, el calor, el sol, una pluma, un cuaderno, una silla, una mesa, mi Pepsi, una pieza de pan, etc. INDIVIDUO: Un individuo es cualquier ser vivo, de cualquier especie. Por ejemplo, un gato, un perro, un elefante, un fresno, un naranjo, un humano, una mosca, una araña, un zacate, una amiba, una salmonella, una pulga, una euglena, un hongo, una lombriz de tierra, una avestruz, etc. ESPECIE: Es un conjunto de individuos que poseen el mismo genoma. Genoma es el conjunto de genes que determinan las características fenotípicas de una especie. Por ejemplo, Felis catus (gato), Fraxinus greggii (fresno), Paramecium caudatum (paramecio), Homo sapiens (Humano), etc. POBLACIÓN: Es un conjunto de individuos que pertenecen a la misma especie y que ocupan el mismo hábitat. Por ejemplo, población de amibas en un estanque, población de ballenas en el Golfo de California. COMUNIDAD: Es un conjunto de poblaciones interactuando entre sí, ocupando el mismo hábitat. Por ejemplo, una comunidad de semidesierto, formada por nopales, mezquites, gramíneas, escorpiones, escarabajos, lagartijas, etc. ECOSISTEMA: Es la combinación e interacción entre los factores bióticos (vivos) y los factores abióticos (inertes) en la naturaleza. También se dice que es una interacción entre una comunidad y el ambiente que le rodea. Ejemplo, charcas, lagos, océanos, cultivo, bosque, etc. BIOMA: Es un conjunto de comunidades vegetales que ocupan la misma área geográfica. Por ejemplo, Tundra, Taiga, Desierto, Bosque Templado Caducifolio, Bosque de Coníferas, Bosque tropical lluvioso, etc. BIÓSFERA: Unidad ecológica constituida por el conjunto de todos los ecosistemas del planeta Tierra. Es la parte de nuestro planeta habitada por todos los seres vivos. RELACIONES INTRAESPECÍFICAS Las relaciones intraespecíficas son las que ocurren entre organismos de la misma especie. Dominación Social: Es la estratificación de grupos sociales, de acuerdo con la influencia que ejercen sobre el resto de los grupos de una población. Por ejemplo, en una población de hormigas, existen castas distinguidas en reinas, soldados, obreras y machos fértiles. Jerarquía Social: Es la estratificación de los individuos de acuerdo con la dominación que ejercen sobre el resto de los individuos de una población. Por ejemplo, en un gallinero, el Gallo macho adulto más fuerte ejerce un dominio absoluto sobre el resto de los 42 Módulo de Ciencias Naturales 2012 miembros de la población (gallinero). A este gallo se le denomina macho Alfa. Por debajo de él están todas las gallinas y el resto de los gallos más débiles que él. El gallo tiene preferencia por una gallina en particular, lo cual la convierte en una gallina que domina al resto de las gallinas y a los gallos más débiles que el macho Alfa. Esta gallina tiene el "derecho" de picotear al resto de las gallinas y aún a los gallos más débiles. La segunda gallina en jerarquía, o gallina Beta, puede picotear al resto de los individuos del gallinero, excepto al gallo Alfa y a la gallina Alfa. Y así sucesivamente, por orden de picotazos, hasta llegar al paria de esa población, aquél polluelo que come las sobras de la comida, que siempre está relegado a un rincón del gallinero y que se observa herido y desplumado por los picotazos recibidos de los demás miembros del gallinero. Territorialidad: Es la delimitación y defensa de una área definida por un individuo o por un grupo de individuos. El ejemplo más común es el de los perros, quienes marcan un territorio a la redonda con respecto al lugar donde habitan mediante descargas de orina, las cuales emiten un olor distinguible por otros canes. RELACIONES INTERESPECÍFICAS Las relaciones interespecíficas son aquellas que acontecen entre miembros de diferentes especies. Las relaciones interespecíficas pueden ser positivas, neutrales o negativas: Las relaciones positivas son en las que, cuando menos, una de las especies obtiene un beneficio de otra sin causarle daño o alterar el curso de su vida. Las relaciones interespecíficas neutrales son aquéllas en las cuales no existe un daño o beneficio directo hacia o desde una especie. El daño o beneficio se obtienen solo de manera indirecta. Las relaciones interespecíficas negativas son aquéllas en las cuales una de las especies obtiene un beneficio en detrimento de otras especies. Las relaciones interespecíficas positivas son las siguientes: Comensalismo: Es cuando un individuo obtiene un beneficio de otro individuo de otra especie sin causarle daño. Por ejemplo, los balanos que se adhieren al cuerpo de las ballenas, las tortugas, etc. Los balanos adultos son sésiles, o sea que permanecen fijos a un sustrato no pudiendo desplazarse de un lugar a otro para buscar alimento. En este caso, los balanos obtienen el beneficio de transporte gratuito hacia zonas ricas en alimento (plancton) otorgado por las ballenas y otras especies marinas. Mutualismo: Ocurre cuando un individuo de una especie obtiene un beneficio de otro individuo de diferente especie, y este a su vez obtiene un beneficio del primero. La relación mutualista no es obligada, lo cual la hace diferenciarse de la simbiosis. El concepto mutualismo deriva precisamente de la ayuda mutua que pueden brindarse dos individuos que pertenecen a diferentes especies. El ejemplo clásico de mutualismo es el de los peces cirujano y los tiburones. Los peces cirujano se alimentan de los parásitos de la piel de los tiburones y otros peces. En este caso, el pez cirujano obtiene alimento y el tiburón se ve libre de los molestos parásitos. Simbiosis: Se dice que dos organismos son simbiontes cuando ambos pertenecen a diferentes especies y se benefician mutuamente en una relación obligada. Si uno de los simbiontes perece, el otro también perecerá al perder el recurso del que se ve beneficiado. El caso más conocido de simbiosis corresponde a los líquenes. Los líquenes surgen por la relación obligada entre un alga y un hongo. El caso es extremo porque los individuos no solo no pertenecen a la misma especie, sino que tampoco pertenecen al mismo reino. El hongo proporciona suficiente humedad al alga y ésta proporciona alimento al hongo. La relación ha devenido tan estrechamente en el curso de su evolución que una especie no puede subsistir sin la otra. Solo existe una relación interespecífica neutral: Competencia: Ocurre cuando dos miembros de diferentes especies pertenecientes a una comunidad tienen las mismas necesidades por uno o más factores del entorno. Los individuos de la especie que posee ventajas para obtener ese factor del medio ambiente será la que prevalezca. La lucha no es física, sino selectiva. Pueden ocurrir encuentros 43 Módulo de Ciencias Naturales 2012 casuales entre dos individuos de una y otra población, pero no es una regla general. El mejor ejemplo sobre competencia interespecífica es la de dos especies carnívoras que merodean en la misma área y se alimentan de las mismas especies; por ejemplo, los leones y los chitas. Los leones toman ventaja sobre otras especies carnívoras por su tendencia a la cooperación entre los miembros de la población y por su comportamiento social. Las relaciones interespecíficas negativas son las siguientes: Depredación: Es cuando un individuo perteneciente a una especie mata apresuradamente a otra para alimentarse de ella. El individuo que mata o caza a otros para comérselos se llama predador o depredador. El individuo que es cazado se llama presa. Ejemplos de depredadores y presas son: el león (depredador) y el ñú (presa), la gallina (depredador) y una lombriz de tierra (presa), la campamocha (depredador) y una mariposa (presa), la araña (depredador) y una mosca (presa), etc. Parasitismo: Ocurre cuando una especie obtiene un beneficio de otra provocándole un daño paulatino que no provoca la muerte inmediata a la víctima. La especie que obtiene un beneficio causando daño paulatino se llama huésped o parásito; mientras que la especie que es dañada se llama anfitrión u hospedero. Cuando la especie que actúa como parásito requiere de una especie intermedia entre ella y el anfitrión final, la especie intermedia se llama reservorio o recipiente. Ejemplos de organismos parásitos: Amibas, lombriz del cerdo, solitaria, piojos, pulgas, garrapatas, ácaros, larvas de avispas, etc. La lista es bastante extensa. TIPOS DE ECOSISTEMAS ECOSISTEMAS TERRESTRES Ecosistemas terrestres son aquellos que se dan sobre la capa de tierra superficial de la Biosfera. Los ecosistemas terrestres ocupan, proporcionalmente, menos superficie que los ecosistemas acuáticos. Mientras que a estos últimos les corresponde aproximadamente un 75 %, los ecosistemas terrestres dominan el 25 % restante. El grupo más numeroso de individuos de los ecosistemas terrestres son los insectos representado por unas 900.000 especies. Dentro de los animales el segundo grupo más significativo serían las aves, con aproximadamente 8500 especies y en tercer lugar los mamíferos con unas 4100 especies. Dentro del mundo de las plantas, existen numerosos tipos las angiospermas son las más abundantes, con unas 224000 especies frente a las 24000 especies de briofitos´ Ventajas de los ecosistemas terrestres Los ecosistemas terrestres presentan una mayor disponibilidad de luz dado que la atmósfera es más trasparente que el agua. Igualmente tienen a su disposición disponibilidad de gases, tanto dióxido de carbono, utilizado para la fotosíntesis, como oxígeno necesario para la respiración y nitrógeno que puede ser fijado por los microorganismos del suelo y aprovechado por las plantas u otros organismos. CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOSISTEMAS TERRESTRES Los principales factores limitantes de los ecosistemas terrestres son la disponibilidad de agua y radiación solar, la disponibilidad de luz, y la disponibilidad de nutrientes. En los ecosistemas terrestres o biomas el medio es la tierra. En la tierra existen diversos ecosistemas terrestres dependiendo de su vegetación y clima, entre estos tenemos: Desierto En el desierto el suelo y el agua son muy escasos. La erosión del viento, las lluvias esporádicas e irregulares y el alto grado de evaporación son responsables de estas condiciones. 44 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Los seres vivos, poco variados y dispersos, están adaptados al medio. Los vegetales crecen con gran rapidez aprovechando los momentos en los que hay humedad, desarrollan largas raíces o acumulan agua en sus tejidos. Los animales, por su parte, tienen hábitos nocturnos, permaneciendo en cuevas o madrigueras durante el día para resistir el calor. Tundra La tundra o desierto polar se caracteriza por su suelo helado, sus bajas temperaturas y su escasez de agua. Los organismos vegetales (gramíneas y juncos en el deshielo, musgos y líquenes el resto del año) se desarrollan con rapidez en el corto verano y forman un delgado y resistente manto. Durante el deshielo, abundan los insectos. Por eso la tundra es un lugar idóneo para la nidificación de aves migratorias. También destacan herbívoros como el lemming o el alce, y sus depredadores, como el lince o el búho de las nieves. Taiga Muy pocas especies son capaces de soportar las bajas temperaturas y la escasez de agua que se dan en la taiga o bosque perennifolio o de coníferas, aunque el número de individuos de cada una las escasas especies es elevado. Así, la taiga se caracteriza por frondosos bosques de pinos y abetos y también arbustos (como el brezo y el arándano) entre los que viven, fundamentalmente, animales migratorios capaces de hibernar, como el oso; algunos reptiles y aves; el puercoespín, la ardilla y el alce. Bosque templado El bosque templado o caducifolio se caracteriza porque en él las estaciones están muy diferenciadas. Las condiciones del medio permiten la supervivencia de una gran variedad de especies vegetales y animales. Pradera, estepa y sabana La pradera presenta características intermedias entre el desierto y los bosques. En ella predominan las hierbas (gramíneas), los arbustos (aunque hay árboles dispersos) y los seres herbívoros. La estepa se caracteriza por temperaturas extremas y unas lluvias escasas y mal repartidas. La vegetación herbácea de la estepa es espinosa y pierde la hoja en la estación seca. La sabana está condicionada por sus dos estaciones: una lluviosa (entre abril y junio) y otra seca. La alta hierba sirve de alimento a numerosas especies de herbívoros, que a su vez sufren el ataque de un variado número de predadores y carroñeros. Selva tropical La selva tropical, bosque tropical o pluviselva es un ecosistema característico de las zonas próximas al ecuador, donde las temperaturas y las precipitaciones son siempre elevadas. Es el ecosistema con mayor variedad de seres vivos. Manglares Los manglares son bosques tropicales típicos de los estuarios de los grandes ríos y las zonas costeras. Deben su nombre a la especie vegetal dominante: el mangle. Se trata de un árbol muy peculiar que crece sobre el agua. Sus largas raíces se hunden en el fondo de la arena y lo sostienen sobre el agua. Desierto Tundra Taiga Bosque tropical Manglares Sabana 45 Módulo de Ciencias Naturales 2012 ECOSISTEMAS ACUATICOS Entre los ecosistemas acuáticos se pueden identificar los siguientes: LOS OCÉANOS: En este tipo de ecosistema los factores físicos determinan la vida. Desde el punto de vista energético disponen de auxilios provenientes de las mareas, olas, corrientes frías o calientes, salinidad, temperatura, intensidad luminosa .Estos aspectos influyen en la composición de las sustancias alimenticias propias de estos ecosistemas, como también en el comportamiento, desarrollo e interrelaciones de los organismos. Las cadenas alimenticias marinas se inician con el fitoplancton y el zooplancton y terminan con animales grandes como tiburones, calamares, y peces grandes, lógicamente con eslabones intermedios como son los animales medianos Los océanos cubren casi tres cuartas partes de la superficie terrestre. La vida se extiende hasta sus zonas más profundas, pero los organismos fotosintéticos se limitan a las zonas superiores iluminadas. El mar tiene una profundidad media de 3 km y, excepto por una fracción relativamente pequeña de la superficie, es oscuro y frío. Por consiguiente la mayor parte de su volumen es habitado por bacterias, hongos y animales, y no por plantas. Hay dos divisiones principales de la vida en el océano abierto: la pelágica (de flotación libre) y la bentónica (habitante del fondo). Un componente principal de la división pelágica es el plancton (fito y zooplacton) Está compuesto por algas, protistas, pequeños camarones, huevos y larvas de muchos peces e invertebrados. La división bentónica contiene los animales sésiles, tales como esponjas, anémonas de mar, almejas y muchos animales móviles, tales como gusanos, estrellas de mar, moluscos, crustáceos y peces. TIPOS DE BIOMAS MARINOS: Las condiciones varían mucho de una parte a la otra del océano; esto implica que los seres vivos no son los mismos en todos los lugares. Por ello en los océanos distinguimos distintos tipos de biomas con determinadas características y formas de vida. Zona Litoral: Es una zona de transición entre el océano y la tierra. Está bien iluminada y en ella encontramos algas, moluscos, equinodermos y otros. Zona Nerítica: Esta situada a continuación de la zona litoral, sobre la plataforma continental, por lo tanto la profundidad es mayor, pero sigue estando bien iluminada. Organismos planctónicos y bentónicos abundan en ella. Zona Pelágica: Es la más alejada de la costa, está constituida por: Una zona fótica o zona iluminada en la que encontramos algas y peces y una zona afótica que a su vez se divide en batial y abisal; al carecer de luz no podemos encontrar vegetación alguna. 46 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Estuarios: Presentan factores físicos como la salinidad. Temperatura, movimientos y flujos de las aguas marinas, los cuales son más susceptibles de variación en las zonas cercanas a la costa que en altamar. Los organismos vivos presentes en estos ecosistemas obtienen las sustancias alimenticias fácilmente, de modo que éstos ecosistemas son muy fértiles y con sobreabundancia de individuos. Los estuarios son las entradas del mar en las desembocaduras de los ríos, por tanto el factor salinidad es intermedio entre el mar y el agua dulce de los ríos. En los estuarios se pueden encontrar gran diversidad de organismos tales como: fitoplancton, microflora béntica (organismos que viven dentro o sobre el fango, la arena o roca), macroflora (plantas grandes como el mangle), zooplancton (larvas y huevos de crustáceos, etc.) Los organismos característicos de los estuarios han desarrollado adaptaciones especiales para hacer frente a las mareas y grandes variaciones de salinidad lo que les permite aprovechar los grandes beneficios de éstas zonas fértiles y ricas en sustancias alimenticias. Arroyos y Ríos: Los ríos se encuentran entre los ecosistemas naturales más intensamente usados por el hombre, lo mismo que los arroyos. Son aprovechados como abastecimiento y depósito de agua, producción pesquera, impulsadores de plantas hidroeléctricas. Teniendo en cuenta el aspecto energético, estos ecosistemas son incompletos, debido a que en gran parte dependen del auxilio biológico de los ecosistemas adyacentes (bosques). El equilibrio de estos ecosistemas se está alterando en detrimento de muchos organismos, incluyendo la población humana que obtiene gran cantidad de alimento de este tipo de ecosistema acuático. Lagos y Lagunas: El tiempo de vida de las lagunas, varía desde unas pocas semanas, meses, hasta varios años. En los lagos se pueden localizar distintas zonas; entre ellas tenemos: Zona Litoral: Formada por vegetales y animales grandes presentes en las orillas. Zona Limnética: Formada por agua superficiales en donde predominan el fito y zooplancton. Zona Profunda: Donde sólo se encuentran animales, no hay vegetales, puesto que a ella no llegan los rayos solares. La producción de estos ecosistemas depende del escurrimiento y transporte de materiales de áreas adyacentes, que en momentos determinados pueden aumentar la fertilidad vegetal y animal. Los ecosistemas acuáticos ofrecen variedad silvestre de fauna, flora, paisajes, alimentos, espacios recreativos y otros beneficios. 47 Módulo de Ciencias Naturales 2012 UUNNIIDDA ADD ## 88 LA QUÍMICA Y LA FISICA ÉPOCA PRIMITIVA. No hay duda que la Química debía nacer con la conquista del fuego por el hombre, y que sus orígenes deberán encontrarse en las artes y oficios técnicos del hombre primitivo, de los que tenemos idea por los materiales usados por él y encontrados en los restos de las civilizaciones desaparecidas. Los artículos normalmente encontrados son de metal, cerámica, vidrio, pigmentos y telas teñidas, por lo que la extracción de los metales de sus menas, la fabricación de vidrios y cerámica, las artes de la pintura y del teñido, así como la preparación de perfumes y cosméticos, práctica de la momificación y otros oficios análogos seguidos en las civilizaciones primitivas, constituyen los conocimientos sobre los que está basada la «Química» de aquellos tiempos. El hombre primitivo se interesaría en primer lugar por los metales por ser materiales resistentes y duraderos a los que podía dárseles forma con mayor o menor facilidad. Su utilización constituye las sucesivas edades del oro y plata, del bronce y del hierro. Los objetos más antiguos conocidos son de oro, situándose en una época anterior a los 5000 años a. J.C. Por hallarse este metal libre y por su bello color, su inalterabilidad y su rareza ha sido siempre el metal precioso por excelencia. Para los chinos tenía incluso propiedades sobrenaturales al creer que el que comía en un plato de oro llegaba a una edad avanzada, y el que absorbía oro se hacía inmortal y tenía el privilegio de desplazarse instantáneamente de un lugar a otro. Por encontrarse a veces juntos el oro y la plata, y ser su separación difícil, se obtenía una aleación, el electrón (por su parecido al ámbar), que durante un gran tiempo se consideró un metal distinto. En la Edad del oro y de la plata se conoció también el cobre, y no puede negarse que el primer hombre que obtuvo deliberadamente este metal a partir de alguno de sus minerales sería un verdadero genio. La Edad del Bronce se sitúa sobre los 4000 años a. J.C. En el Egipto de las primeras dinastías y en la Grecia de HOMERO, el bronce ocupó el lugar del hierro en nuestra época. Los fenicios adquirieron una gran reputación en el trabajo del bronce y, aunque pueblo poco belicoso, fabricaba las armas más ricas y mejores. La Edad del Hierro sucede a la del Bronce y su principio puede fijarse sobre los 200 años a. J.C. Las dificultades que ofrecen su preparación y su trabajo hicieron del hierro en los primeros tiempos un metal oneroso, utilizado muy parcamente. En la Edad del Hierro se aprendió a fabricar acero, se conoció que su resistencia aumenta con el temple y se llegó incluso a protegerlo de la corrosión. De todas las civilizaciones antiguas, la más avanzada en las artes químicas y la más relacionada con la química europea moderna fue la egipcia. Los egipcios fueron maestros en la fabricación de vidrios y esmaltes; imitaban a la perfección los metales nobles, así como el rubí, el zafiro y la esmeralda; utilizaron ampliamente el cuero y usaron la lana, el algodón y el lino que sabían blanquear y teñir con índigo, púrpura y rubia, no desconociendo el uso de mordientes; prepararon perfumes, bálsamos, productos de belleza y venenos, cuya química fue muy floreciente en la antigüedad; obtuvieron jabones y diferentes sales de sodio, potasio, cobre, aluminio y otros metales; y utilizaron el betún en embalsamamientos y en decoración. Pero todas estas prácticas eran fundamentalmente empíricas y no constituían una ciencia ni siquiera en forma rudimentaria. DOCTRINAS QUÍMICAS ANTIGUAS. El hombre prehistórico, al buscar el origen y la naturaleza de todo lo que le rodeaba creó los mitos en los que cada cosa, cada fuerza natural era un dios o una figura humana; de aquí las teogonías y las cosmogonías de los pueblos primitivos, en las que los fenómenos se imaginan producidos por la acción de agentes sobrenaturales cuya intervención' explica todas las anomalías aparentes del universo. Este estado teológico de la Ciencia se mantuvo hasta el siglo VI a. J.C., en que apareció en Grecia un poderoso movimiento intelectual y sus más grandes filósofos especularon sobre el mundo y sobre la naturaleza de la materia, y plantearon claramente muchos de los problemas fundamentales de la Ciencia. La idea de la existencia de un principio permanente origen de todo fue ya un principio tangible; para TALES, de Mileto (aproximadamente 624-565 a. J.C.) fue el agua; ANAXIMENES (alrededor de 585-524 a. J.C.) sostuvo que era, el aire, y para HERACLITO, de Efeso (aproximadamente 540-475 a. J.C.) era el fuego. Más, tarde, EMPÉDOCLES, de Agrigento (alrededor de 500-430 a. J.C.) aceptó los elementos de sus antecesores, a los que agregó uno más, la tierra, substituyendo así el principio único de la Escuela naturalista Jónica por los cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego, que servían de alguna manera de soporte a las cualidades fundamentales de caliente y frío, y seco y húmedo, y dos fuerzas cósmicas, el amor y el odio, que son las raíces de todas las cosas. Esta teoría de los cuatro elementos fue aceptada por ARISTÓTELES de Estagira (384-322 antes de J.C.), el más grande pensador griego y un infatigable escritor, cuya autoridad hizo que perdurase durante unos dos mil años. Por la misma época, LEUCIPO y su discípulo DEMÓCRITO, de Abdera (460-370 a. J.C.), en oposición a ZENÓN, de Elea, enseñaron la discontinuidad de la materia formada de átomos, el ser, y de vacío, el no ser, resultante de los intersticios entre aquellos, y permitiendo su movimiento. Los átomos son eternos, indivisibles (de donde deriva su nombre), y de la misma naturaleza, pero difieren en forma, por el orden en que están colocados en el cuerpo, por su posición relativa y por su magnitud. A pesar de la tendencia positiva de las ideas de DEMÓCRITO, Sus seguidores no desarrollaron su pensamiento que ofrece una estrecha relación con las teorías científicas modernas. EPICURO, de Samos (342-270 a. J.C.), el más ilustre de ellos, creó la palabra átomo y le asignó un peso esencial. A partir del año 300 a. J.C. la ciencia griega se desplaza a Alejandría, en cuya Escuela florecieron grandes matemáticos, astrónomos y biólogos, si bien fue decayendo hasta apagarse hacia el año 400 de nuestra Era. En el siglo 48 Módulo de Ciencias Naturales 2012 II a. J.C. las ideas científicas llegaron a Roma, pero los romanos, guerreros y constructores, pero poco abiertos a las cosas del espíritu, y estoicos frente a la Naturaleza, no prosiguieron la herencia científica de los griegos. LA ALQUIMIA. En la Edad Media, y especialmente en el período del 400-1000, conocido por la Edad Tenebrosa, la preocupación teológica llena los espíritus y únicamente hacia el siglo VII empieza a adquirir la Ciencia entre los árabes una cierta importancia. Los conocimientos químicos aprendidos de los egipcios y las ideas filosóficas heredadas de los antiguos a través de la Escuela alejandrina dieron a la alquimia en manos de los árabes, y después en toda Europa, una significación especial. Los alquimistas consideraron los metales como cuerpos compuestos formados por dos cualidades-principios comunes, el mercurio, que representaba el carácter metálico y la volatilidad, y el azufre que poseía la propiedad de combustibilidad. En el curso del tiempo se unió un tercer principio, la sal, que tenía la propiedad de la solidez y la solubilidad. Estos tres principios o elementos, los llamados «tría prima» de los alquimistas substituyeron en la Edad Media a los elementos aristotélicos, y aunque al principio tuvieron un carácter abstracto, fueron considerados más tarde como materiales. Consecuencia inmediata de su pensamiento fue para los alquimistas la posibilidad de la transmutación de los metales innobles en nobles y, concretamente, la conversión del plomo, mercurio u otros metales corrientes en oro. Esta transmutación, conocida como la «Gran Obra», debía realizarse en presencia de la «piedra filosofal» cuya preparación fue la tarea primera de los alquimistas. En el siglo XIII se extendió el objetivo de la alquimia al buscar el «elixir filosofal o de larga vida», imaginado como una infusión de la piedra filosofal, el cual debía eliminar la enfermedad, devolver la juventud, prolongar la vida e incluso asegurar la inmortalidad. Se comprende que los alquimistas viejos dedicasen sus últimas fuerzas a la consecución de este sueño. LA IATROQUÍMICA Y EL RENACIMIENTO CIENTÍFICO. Aunque la transmutación de los metales fue creída hasta el siglo XIX, la Alquimia fue perdiendo su carácter ideal para ser, en un gran número, de sus supuestos cultivadores, charlatanería y engaño, llegándose a prohibir por Reyes y Papas. A principios del siglo XVI los esfuerzos de muchos alquimistas se dirigen a preparar drogas y remedios al señalar PARACELSO (1493-1541) que la misión de la Alquimia era la curación de la enfermedad. Aparece una transición entre la Alquimia y la verdadera Química, que se conoce como iatroquímica o química médica. PARACELSO. En el Renacimiento, el llamado siglo rebelde, se había creado en Europa un nuevo clima intelectual. En el siglo XIV se había producido en Italia un movimiento humanista que al volver al pensamiento de la antigüedad clásica hizo posible la reconstrucción del espíritu griego. El Renacimiento, primero en el campo de la literatura y después en el de las artes, pasó pronto al pensamiento científico, y al unirse observación y teoría se inicia la ciencia experimental que substituye a las especulaciones filosóficas de la Edad Media. El irlandés Robert BOYLE (1627-1691), es el primer químico que rompe abiertamente con la tradición alquimista. BOYLE es el primer hombre de Ciencia que adopta la teoría atómica para explicar las transformaciones químicas, y sus investigaciones en el campo de la Física y de la Química permiten considerarle como el precursor de la química moderna al hacer de ella el estudio de la naturaleza y composición de la materia en vez de ser, como hasta entonces, un simple medio de obtener oro o de preparar medicamentos. LA TEORÍA DEL FLOGISTO. Los químicos de la época de BOYLE estaban poco preparados para aceptar sus ideas, pero en cambio, atraídos por sus experimentos acerca de los gases, investigaron con estas nuevas substancias y estudiaron de una manera general el problema de la combustión. Se debe a Georg Emst STAHL (1660-1734), químico y médico alemán, la teoría del flogisto, que aunque falsa, tiene no obstante el mérito de ser la primera teoría capaz de coordinar el conjunto de los fenómenos esenciales de la combustión y de la reducción. STAHL basa su teoría en las ideas del alquimista alemán J. J. BECHER (1635-1682), el cual, al admitir el elemento terroso, el elemento combustible y el elemento metálico no hace más que desarrollar la vieja noción de los tres elementos cuyo origen debe buscarse en las «exhalaciones» de ARISTÓTELES; un claro ejemplo de la pervivencia de las ideas. La teoría del flogisto, conocida también como «sublime teoría», supone que toda sustancia combustible, tal como un metal, contiene un «principio inflamable», denominado posteriormente, flogisto; en la combustión se desprende el flogisto con acompañamiento de luz y calor y queda un residuo, la “ceniza” o “cal” del cuerpo combustible. Cuanto más inflamable es un cuerpo tanto más rico es en flogisto. La teoría del flogisto, ejemplo claro del carácter provisional de las teorías científicas, pudo servir de guía a los grandes investigadores del siglo XVIII cuya labor experimental constituye la base de la Química como ciencia. LAVOISIER Y LA REVOLUCIÓN QUÍMICA. Aunque la obra de experimentadores tan notables como SCHEELE, PRIESTLEY y CAVENDISH condujo a numerosísimos descubrimientos, su interpretación mediante la teoría del flogisto impedía todo progreso en el conocimiento de los fenómenos 49 Módulo de Ciencias Naturales 2012 químicos. Es Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) el que destruye la teoría del flogisto al establecer la naturaleza verdadera de la combustión, y que en su obra Tratado elemental de Química, aparecido en 1789, crea las bases de la química moderna que, en consecuencia, ha podido ser considerada como una ciencia francesa. ¿QUÉ ES LA QUÍMICA? La Química se conoce como la ciencia que estudia la composición y las propiedades de la materia, así como los cambios que experimenta y la energía asociada a ellos. En el campo de la medicina, la química ha sido de gran utilidad en la lucha contra los microorganismos que producen las enfermedades, mediante la producción de vacunas, sueros, antibióticos, anestésicos y otros productos. Para la agricultura la química proporciona fertilizantes e insecticidas. La energía procedente de la combustión de la gasolina se utiliza para hacer girar las turbinas en una planta eléctrica y producir electricidad. En general, se puede decir que la mayor parte de las actividades del género humano reciben apoyo de la química para desarrollarse. La química se divide en ramas para poder ser estudiada de mejor manera en: Química inorgánica: Estudia los compuestos de origen inerte o inorgánico. Química orgánica: Síntesis y estudio de los compuestos que se basan en cadenas de carbono. Bioquímica: Estudia las reacciones químicas en los seres vivos, estudia el organismo y los seres vivos. Química física: Estudia los fundamentos y bases físicas de los sistemas y procesos químicos. Química industrial: Estudia los métodos de producción de reactivos químicos en cantidades elevadas, de la manera económicamente más beneficiosa. Química analítica: Estudia los métodos de detección (identificación) y cuantificación (determinación) de una sustancia en una muestra. Se subdivide en Cuantitativa y Cualitativa. ¿QUÉ ES LA MATERIA? Materia es todo lo que nos rodea, que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio. Materiales: así se llaman las diferentes formas de presentación de la materia en la naturaleza, bien sea en estado sólido, líquido o gaseoso. CLASES DE MATERIA ¿Qué es una sustancia? Una sustancia es cualquier variedad de materia de composición definida y reconocible. Las sustancias se clasifican en sustancias puras y mezclas. ¿Qué es una sustancia pura? Una sustancia pura es un material homogéneo que siempre tiene la misma composición fija e invariable y cuyas propiedades físicas y químicas son siempre las mismas. Algunas pueden descomponerse mediante procesos químicos en otras sustancias más simples; por ejemplo, el Cloruro de sodio (sal común), el azúcar. CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS PURAS: Las sustancias puras se clasifican en dos tipos: elementos y compuestos; ambos son homogéneos ya que mantienen sus propiedades características. Los elementos Son también denominados sustancias simples elementales que constituyen la materia. Se combinan para formar los compuestos. Los compuestos Son denominados también Sustancias Compuestas; están formados por dos o más elementos unidos químicamente en proporciones fijas de masa. Los compuestos son muy abundantes en la naturaleza, pero también son sintetizados en el laboratorio. Los compuestos pueden descomponerse en sus elementos constitutivos o sustancias simples empleando técnicas específicas de separación. Las mezclas Es un material formado por la unión de dos o más sustancias en proporciones variables. TIPOS DE MEZCLAS: Mezclas homogéneas: Son las que tienen partículas indistinguibles a simple vista o con el microscopio; por ejemplo: Los coloides: Estas mezclas tienen una fase dispersante (disolvente) y una fase dispersa (soluto); ejemplo: leche, gelatina, quesos, etc. 50 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Las soluciones: Sus componentes son soluto y solvente. El soluto se disuelve en el solvente y se encuentra, generalmente, en menor proporción que éste.; ejemplo: agua de mar, limonada, te, refrescos, etc. Mezclas heterogéneas: son aquellas en las cuales pueden reconocerse sus diversos componentes debido a la diferencia de sus propiedades. Hay dos tipos de mezclas heterogéneas: mezclas groseras y suspensiones. Mezclas groseras: Son aquellas que tienen componentes diferenciables por su gran tamaño. Por ejemplo: granito Suspensiones: Son las que tienen partículas finas suspendidas en agua u otro líquido por un tiempo y luego se sedimentan; por ejemplo: arena y agua. LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA Los materiales en cualquier estado, poseen un conjunto de propiedades que los diferencian, a saber: los materiales sólidos tienen forma y volumen propio, los líquidos se amoldan a la forma del recipiente que los contiene; los gases no tienen forma ni volumen propios, ellos ocupan el espacio del recipiente que los contiene, al igual que también adoptan la forma del mismo. Propiedades extrínsecas (extensivas o generales) Las presentan los cuerpos sin distinción y por tal motivo no permiten diferenciar una sustancia de otra. Algunas de las propiedades generales se les da el nombre de extensivas, pues su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, peso, volumen, la inercia, la energía, impenetrabilidad, porosidad, divisibilidad, elasticidad, maleabilidad, tenacidad y dureza entre otras. Volumen: nos indica la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. Extensión. Todos los cuerpos ocupan un lugar en el espacio. El lugar que ocupa un cuerpo es su volumen. Impenetrabilidad. Como cada cuerpo ocupa un lugar en el espacio, su lugar no puede ser ocupado al mismo tiempo por otro cuerpo. 51 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Inercia. Consiste en la tendencia que tienen los cuerpos de continuar en su estado de reposo o movimiento en que se encuentran si no hay una fuerza que los cambie. Masa. Es la cantidad de materia contenida en un volumen cualquiera, la masa de un cuerpo es la misma en cualquier parte de la Tierra o en otro planeta. Peso. Es la acción de la gravedad de la Tierra sobre los cuerpos. En los lugares donde la fuerza de gravedad es menor, por ejemplo, en una montaña o en la Luna, el peso de los cuerpos disminuye. Divisibilidad. Es la propiedad que tiene cualquier cuerpo de poder dividirse en pedazos más pequeños, hasta llegar a las moléculas y los átomos. Porosidad. Como los cuerpos están formados por partículas diminutas, éstas dejan entre sí espacios vacíos llamados poros. Elasticidad. Propiedad que tienen los cuerpos de cambiar su forma cuando se les aplica una fuerza adecuada y de recobrar la forma original cuando se suspende la acción de la fuerza. La elasticidad tiene un límite, si se sobrepasa el cuerpo sufre una deformación permanente o se rompe. Dureza. Es la resistencia que opone un cuerpo al corte, a la penetración y a ser rayado. La materia más dura que se conoce es el diamante. Son muy blandos la cera, el jabón, etcétera. Tenacidad. Es la resistencia que ofrece un cuerpo a romperse o a deformarse cuando se le golpea. Lo contrario a la tenacidad es la fragilidad. El acero es tenaz y el vidrio es frágil. Ductilidad. Es la propiedad que tienen algunas materias, principalmente los metales, de estirarse para formar hilos o alambres. Se elaboran alambres de hierro, cobre, aluminio. El oro y la plata son de los más dúctiles porque con ellos se obtienen los hilos más delgados. Maleabilidad. Consiste en la facilidad que tienen algunas materias para extenderse en láminas. Los metales son maleables. Se hacen láminas de hierro, zinc, estaño, etc. El oro es el más maleable, sus láminas pueden ser tan delgadas que son transparentes y flotan en el aire. Propiedades intrínsecas (intensivas o específicas) Permiten distinguir una sustancia de otra. También reciben el nombre de propiedades intensivas porque su valor es independiente de la cantidad de materia. Si estas propiedades son características de un cuerpo determinado se llaman propiedades específicas, tal como el color, olor, sabor, solubilidad, densidad, conductividad del calor y de la electricidad, brillo, transparencia, estructura cristalina, punto de fusión, punto de ebullición, etc. Así, por ejemplo, el cobre, el oro y la plata se distinguen por su color; el agua, el alcohol y la gasolina por su olor; la sal y el azúcar, por su sabor; los carbonatos de sodio y de calcio, por su solubilidad; el plomo y el aluminio, por su densidad; el vidrio y el diamante, por su dureza, etc. 52 Módulo de Ciencias Naturales 2012 LA MEDICIÓN Para establecer con carácter universal las propiedades de la materia, en especial las cuantitativas, se precisa unificar criterios de medida, es decir, hablar en el mismo lenguaje. Lee atentamente los siguientes conceptos: Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc. Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene. Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro. Medir consiste en comparar una magnitud o propiedad con otra que se toma como patrón de medida. A todo lo que se mide se le llama magnitudes físicas. Toda medida consta de dos partes: una numérica y otra la unidad de patrón. A los efectos de medidas, universalmente se emplea el Sistema Métrico . También existe una modernización del sistema antiguo conocida como Sistema Internacional de pesas y medidas (SI) que se establece sobre siete unidades básicas, las cuales se muestran en el cuadro siguiente: CAMBIOS DE LA MATERIA Cambio físico: Cambio que sufre la materia en su estado, volumen o forma sin alterar su composición. EJEMPLO: en la fusión del hielo, el agua pasa de estado sólido a líquido, pero su composición permanece inalterada. Cambio químico: Cambio en la naturaleza de la materia, variación en su composición. EJEMPLO: en la combustión de una hoja de papel, se genera CO, CO2 y H2O a partir de celulosa, cambiando la composición de la sustancia inicial. ESTADOS DE LA MATERIA La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. 53 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Estado solido Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas. Estado liquido Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad. En los líquidos el movimiento es desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía). Estado gaseoso Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos. En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño. Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido. Características de los estados de la materia Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos. Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión. CAMBIOS DE ESTADO El estado en que se encuentre un material depende de las condiciones de presión y temperatura, modificando una de estas variables o ambas, se puede pasar la materia de un estado a otro. Ej. Sólido, liquido, gaseoso o plasma. Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias. 54 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Cambios progresivos Cambios progresivos son los que se producen al aplicar calor. a. b. c. d. Sublimación progresiva. Es la transformación directa, sin pasar por otro estado intermedio, de una materia en estado sólido a estado gaseoso al aplicarle calor. Fusión. Es la transformación de un sólido en líquido al aplicarle calor. Es importante hacer la diferencia con el punto de fusión, que es la temperatura a la cual ocurre la fusión. Esta temperatura es específica para cada sustancia que se funde. Evaporación. Es la transformación de las partículas de superficie de un líquido, en gas, por la acción del calor. Este cambio ocurre en forma normal, a temperatura ambiente, en algunas sustancias líquidas como agua, alcohol y otras. Sin embargo si le aplicamos mayor temperatura la evaporación se transforma en ebullición. Ebullición. Es la transformación de todas las partículas del líquido en gas por la acción del calor aplicado. En este caso también hay una temperatura especial para cada sustancia a la cual se produce la ebullición y la conocemos como punto de ebullición. Ejemplos: El agua tiene su punto de ebullición a los 100º C, alcohol a los 78º C. (el término hervir es una forma común de referirse a la ebullición). Cambios regresivos Estos cambios se producen por el enfriamiento de los cuerpos y también distinguimos tres tipos que son: sublimación regresiva, solidificación, condensación. a. Solidificación. Es el paso de una sustancia en estado líquido a sólido. Este cambio lo podemos verificar al poner en el congelador un vaso con agua, o los típicos cubitos de hielo. b. Condensación. Es el cambio de estado de una sustancia en estado gaseoso a estado líquido. Ejemplo: El vapor de agua al chocar con una superficie fría, se transforma en líquido. c. Sublimación regresiva. Es el cambio de una sustancia de estado gaseoso a estado sólido, sin pasar por el estado líquido. TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS. Entre las distintas técnicas que se emplean para separar mezclas tenemos: Procedimientos físicos: Destilación: consiste en separar dos líquidos con diferentes puntos de ebullición por medio del calentamiento y posterior condensación de las sustancias. El proceso de la destilación consta de dos fases: la primera en la cual el líquido pasa a vapor, y la segunda en la cual el vapor se condensa y pasa nuevamente a líquido. La destilación puede ser: a. b. Simple, si la muestra contiene un único componente volátil que se desea separar. Fraccionada, si la muestra contienen dos o más componentes volátiles que se separan mediante una serie de vaporizaciones-condensaciones en una misma operación. 55 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Evaporación: consiste en separar los componentes de una mezcla de un sólido disuelto en un líquido. La evaporación se realiza en recipientes de poco fondo y mucha superficie, tales como cápsulas de porcelana, cristalizadores, etc. Cristalización: consiste en purificar una sustancia sólida; esto se realiza disolviendo el sólido en un disolvente caliente en el cual los contaminantes no sean solubles; luego se filtra en caliente para eliminar las impurezas y después se deja enfriar el líquido lentamente hasta que se formen los cristales. Cromatografía: Es la técnica que se utiliza para separar los componentes de una mezcla según las diferentes velocidades con que se mueven al ser arrastradas por un disolvente a través de un medio poroso que sirve de soporte a la mezcla, y sobre la base de las cantidades relativas de cada soluto, distribuidos entre un fluido que se mueve, llamado la fase móvil y una fase estacionaria adyacente. Procedimientos mecánicos: Filtración: consiste en separar los componentes de una mezcla de dos fases: sólida y líquida, utilizando una membrana permeable llamada medio filtrante, a través de la cual se hace pasar la mezcla; la fase líquida pasa a través de la membrana y la fase sólida queda retenida en ella. 56 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Tamizado: consiste en separar una mezcla de materiales sólidos de tamaños diferentes, por ejemplo granos de caraota y arena empleando un tamiz (colador). Los granos de arena pasan a través del tamiz y los granos de caraota quedan retenidos. Imantación: consiste en separar con un imán los componentes de una mezcla de un material magnético y otro que no lo es. La separación se hace pasando el imán a través de la mezcla para que el material magnético se adhiera a él: por ejemplo: separar las limaduras de hierro que se hallen mezcladas con azufre en polvo, para lo cual basta con mantener con un imán el componente magnético al fondo e inclinar el recipiente que contiene ambos materiales, para que se pueda recoger el líquido en otro recipiente. Centrifugación: consiste en la separación de materiales de diferentes densidades que componen una mezcla. Para esto se coloca la mezcla dentro de un aparato llamado centrífuga, la cual tienen un movimiento de rotación constante y rápido, lo cual hace que las partículas de mayor densidad vayan al fondo y las más livianas queden en la parte superior. Decantación: Se utiliza para separar dos líquidos con diferentes densidades o una mezcla constituida por un sólido insoluble en un líquido. Si tenemos una mezcla de sólido y un líquido que no disuelve dicho sólido, se deja reposar la mezcla y el sólido va al fondo del recipiente. Si se trata de dos líquidos se coloca la mezcla en un embudo de decantación, se deja reposar y el líquido más denso queda en la parte inferior del embudo. 57 Módulo de Ciencias Naturales 2012 LA ENERGÍA La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. La energía es una magnitud cuya unidad de medida en el S.I. es el julio (J). Se conocen dos clases de energía: La energía potencial y energía cinética. Energía potencial Es la energía que se encuentra almacenada en un cuerpo. Por ejemplo la que contienen los alimentos, el petróleo, el agua en reposo, entre otros. Energía cinética Es la que se origina con el movimiento de un cuerpo. La energía potencial con el movimiento se transforma en energía cinética, por eso se reconoce como energía del movimiento. Por ejemplo cuando se corre o camina, la energía potencial almacenada en los músculos se transforma en energía cinética, en un carro la energía de la gasolina al hacer combustión se transforma en movimiento. TIPOS DE ENERGÍAS Energía química: Es la energía acumulada en los alimentos y en los combustibles. Se produce por la transformación de sustancias químicas que contienen los alimentos o elementos, posibilita mover objetos o generar otro tipo de energía. Energía hidráulica: Es la transformación de la energía del movimiento del agua, generando la electricidad llamada también energía hidroeléctrica. Esta energía se logra pasando una corriente de agua a través de una turbina o motor. La cantidad de energía hidroeléctrica depende de la cantidad y velocidad del agua que circula por la turbina. 58 Módulo de Ciencias Naturales 2012 Energía nuclear: Es la energía más novedosa, fue descubierta en el siglo pasado. Se origina del tratamiento químico o físico de los elementos naturales que poseen radioactividad como el uranio, el plutonio. Sus átomos son mezclados con algunas sustancias químicas que le provocan una reacción química, llamada reacción nuclear y liberan gran cantidad de energía. Energía luminosa: Es la energía que contiene la luz, está muy relacionada con otros tipos de energía como la calórica y la química. Por ejemplo, el sol es una fuente de energía luminosa, pero no la única. También la electricidad, las luciérnagas y los cocuyos iluminan al transformar la energía química de sus cuerpos en energía luminosa, así mismo los rayos y otros. Energía sonora: Se produce con la vibración o el movimiento de un objeto, que hace vibrar también el aire que lo rodea y esa vibración se transforma en impulsos eléctricos que en el cerebro se interpretan como sonidos. LA FÍSICA La Física es la ciencia que estudia la naturaleza en el sentido más amplio. Las propiedades de la materia, la energía, el tiempo, el espacio y sus interacciones. La Física estudia por lo tanto un amplio rango de campos y fenómenos naturales, desde las partículas subatómicas hasta la formación y evolución del Universo así como multitud de fenómenos naturales cotidianos. Las ramas de la física, son: a) La mecánica: rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el movimiento de los cuerpos. De manera que cuando estudiamos el movimiento de caída de un cuerpo, el movimiento de los planetas, el choque de dos automóviles estamos hablando de fenómenos mecánicos. b) Termodinámica: como su nombre lo indica esta rama de la física estudia los fenómenos térmicos. La variación de temperatura de un cuerpo, la fusión de un elemento, la dilatación de un cuerpo caliente, etc. 59 Módulo de Ciencias Naturales 2012 c) La acústica: en esta parte estudiamos las propiedades de las ondas que se propagan en un medio material, por ejemplo las ondas formadas en una cuerda o en la superficie del agua, aquí además se estudian los fenómenos audibles o sonoros, porque el sonido no es más que un tipo de onda que se propaga en los medios materiales. d) La óptica: es la parte de la física que estudia los fenómenos visibles relacionados con la luz. La formación de nuestra imagen en un espejo, la observación de un objeto distante atreves de un lente, la descomposición de la luz blanca en una gama de colores atreves de un prisma, etc. Son todos fenómenos ópticos. e) La electricidad: en esta rama de la física se incluyen todos los fenómenos eléctricos y magnéticos. De modo que se estudian aquí las atracciones y repulsiones entre cuerpos electrizados, el funcionamiento de los diversos electrodomésticos, las propiedades del imán, la producción de un relámpago en una tempestad, etc. f) La física moderna: Esta parte abarca el desarrollo que alcanzo la física durante el siglo XX, incluyendo el estudio de la estructura del átomo, del fenómeno de la radioactividad, de la teoría de la relatividad de Einstein, etc. 60
