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Sobre este eBook
CÓMO
FUNCIONA
LA
BIOLOGÍA
CONTENIDOS
Publicado originalmente en Gran Bretaña en 2023 por Dorling Kindersley Limited DK, 20 Vauxhall Bridge Road, Londres, SW1V 2SA Parte de Penguin Random HouseEl representante autorizado en el EEE es Dorling Kindersley Verlag GmbH. Arnulfstr. 124, 80636 Múnich, AlemaniaCopyright © 2023 Dorling Kindersley Limited © Traducción española: 2025 Dorling Kindersley Limited 006-333998-Jun/2025Título original: How Biology Works Primera edición: 2025Reservados todos los derechos. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin la autorización escrita de los titulares de la propiedad intelectual.ISBN: 978-0-2417-5316-3Impreso y encuadernado en Chinawww.dkespañol.comConsultoría editorial Chris Clennett, Jo Locke, Tom JacksonEdición del proyecto de arte Francis Wong, Steve Woosnam-SavageEdición de arte Stephen Bere, Amy Child, Mik Gates Ilustración Edwood Burn, Victoria Clark, Mark Clifton, Dan CrispDiseño de la cubierta Tanya Mehrotra Edición de producción Robert Dunn, Gillian ReidControl de producción sénior Meskerem BerhaneDirección de arte Karen SelfTextos Olivia Drake, Jack Challoner, Tim Harris, Alina Ivan, Tom Jackson, Nicola Temple Edición sénior Peter Frances, Miezan van ZylEdición del proyecto Michael Clark, Sarah MacLeod, Martyn PageEdición Jemima Dunne, Annie MossAsistencia editorial Emily KhoEdición ejecutiva Angeles Gavira GuerreroEdición ejecutiva de arte Michael DuffyDirección editorial Liz WheelerDirección de publicaciones Jonathan MetcalfAspectos de la vida 10Homeostasis 12Los reinos de la vida 14Los virus 16La biosfera 18Ciclos de nutrientes 20Entornos extremos 22 Origen de la vida 24Vida en otros planetas 26¿QUÉ ES LA VIDA?Este libro se ha impreso con papel certificado por el Forest Stewardship Council™ como parte del compromiso de DK por un futuro sostenible. Más información: www.dk.com/uk/information/sustainabilityServicios editoriales Tinta SimpàticaTraducción Ismael Belda SanchisCoordinación de proyecto Marina AlcioneDirección editorial Elsa VicenteDE LA EDICIÓN EN ESPAÑOL
El metabolismo 30Carbohidratos 32Lípidos 34Ácidos nucleicos 36Proteínas 38Enzimas 40Materiales 42estructuralesMicronutrientes 44La fotosíntesis 46La respiración 48LA QUÍMICA DE LA VIDAEstudiar las células 52Partes de la célula 54La membrana celular 56El núcleo 58Generar energía 60Citoesqueleto y vacuolas 62Transporte celular 64Movimiento 66División celular 68Neuronas 70Células musculares 72La sangre 74De tejidos a organismos 76LAS CÉLULASReproducción asexual 80Meiosis 82Reproducción sexual 84Modos de reproducción 86 animal Células madre 88Leer los genes 90Genomas 92Herencia 94Mutaciones 96Cromosomas sexuales 98Hermafroditas 100REPRODUCCIÓN Y GENÉTICA
Adaptación y 104 selección natural Especiación 106Selección sexual 108Coevolución 110Microevolución 112Extinción 114Extinción masiva 116Cómo se clasifican 120 los seres vivos Procariotas 122Eucariotas 124Protistas 126Hongos 128Algas 130Plantas 132Invertebrados 134Vertebrados 136Semillas 140Raíces 142Tallos 144Hojas 146Transporte 148Flores 150Frutos 152EVOLUCIÓNEL ÁRBOL DE LA VIDALAS PLANTAS
Sustento y movimiento 156Respiración 158Sistema circulatorio 160Sistema digestivo 162Cerebro y 164 sistema nervioso Vista 166Oído 168Percepción química 170 Tacto 172Sensores 174Amenazas 176Defenderse de la 178 enfermedad Ecosistemas 182Biomas 184Red trófica 186Estrategias 188reproductivasVida social 190Daño ecológico 192Cría selectiva 196Crear alimentos 198Medicamentos 200Vacunas 202Pruebas de ADN 204Ingeniería genética 206Terapia génica 208Clonación 210Envejecimiento 212Reparar el cuerpo 214Biología sintética 216ÍNDICE 218AGRADECIMIENTOS 224LOS ANIMALESBIOTECNOLOGÍAECOLOGÍA
Los procesos fundamentales de la vidaTras la gran complejidad de los organismos vivos, hay siete procesos fundamentales para producir la vida. Hay objetos inertes que pueden realizar algunas de esas funciones; por ejemplo, un cristal puede crecer, y un motor puede liberar energía a partir de combustible, además de moverse y eliminar los desechos. Pero solo los seres vivos utilizan todos esos procesos a la vez.Los organismos son sensibles a los cambios que se dan en su entorno y pueden responder a ellos.Sus respuestas pueden ser simples, como una bacteria que forma un quiste protector en ausencia de humedad, o complejas, como la reacción de lucha o huida de un mamífero.Un cuerpo vivo se constituye según un conjunto de instrucciones de su ADN (genes). El «propósito» del cuerpo es generar nuevascopias del ADN y así crear nuevos cuerpos que transmitan el ADN a la siguiente generación. Los seres vivos necesitan abastecerse de nutrientescomo fuente de energía y para obtener las materias primas para construir y mantener sus cuerpos. Las plantas obtienen estos nutrientes del suelo,el agua y el aire,mientras que los animales y los hongos los obtienen al consumir el cuerpo o los desechos de otros organismos. La energía para sustentar la vida proviene de la respiración, un proceso químico que tiene lugar en cada célula viva y descompone en sustancias más simples los combustiblesquímicos, como los azúcares, liberando así energía que puede ser utilizada por las células del organismo.
Aspectos
de la vida
¿Qué significa estar vivo? Hay muchas variedades y formas de organismos vivos con diferentes estrategias para sobrevivir y prosperar, pero todos comparten unas características básicas que los diferencian de los objetos inanimados. Todos los seresvivos aumentan de tamaño. Los organismos complejos, como los mamíferos y los árboles, se desarrollan a partir de una sola célula hasta convertirse en un complejo cuerpo multicelular con muchas partes distintas. Los organismos unicelulares también crecen antes de dividirse en dos.ORGANISMO VIVO Todos los seres vivos utilizan todos los procesos vitales fundamentales al menos en algún momento de su vida. El alga microscópica de agua dulce Dinobryon (imagen de arriba) es atípica porque tiene dos métodos de nutrición: la fotosíntesis yel consumo de bacterias.CRECIMIENTONUTRICIÓNSENSIBILIDAD RESPIRACIÓNREPRODUCCIÓN
¿QUÉ ES LA VIDA?Aspectos de la vida1110Hasta cierto punto,todaslas formas de vida son capaces de moverse. Los animales son las más móviles, mientras que las plantas pueden abrir y cerrar poros en sus hojas y orientarlas a la luz. Hay organismos unicelulares quese desplazan mediante una especie de pelos llamados cilios o flagelos. Los procesos vitales crean productos de desecho que deben ser eliminados del cuerpo.Por ejemplo, la respiración de los animales produce como desecho dióxido de carbono. Los animales también producen y expelen orina, la cual contiene sustancias tóxicas. ¿POR QUÉ LA VIDA SE BASA EN EL CARBONO?Los átomos de carbono se combinan entre sí y con otros muchos tipos de átomos, lo que les permite formar una gran cantidad de compuestos complejos útiles para la vida.Los procesos vitales crean estructuras ordenadas, como células y cuerpos, a partir de materias primas desordenadas. Estacreación de orden parece contravenir las leyes de la termodinámica, según las cuales la entropía de los sistemasnaturales siempre aumenta(se vuelven másdesordenados). Pero los procesos metabólicos de la vida también descomponen moléculas grandes y producen calor, lo que aumentala entropía del sistema.ENTROPÍA Y VIDACélulas y vidaLas células son las unidades estructurales y funcionales básicas de los seres vivos. Contienen ADN, la información genética que controla sus funciones y permite que se produzcan nuevas células. Uno de los principios básicos de la biología es la teoría celular, formulada en la década de 1830, cuando los científicos observaron la estructura detallada de las células a través de un microscopio. Según esta teoría, la vida está basada en las células, cada cuerpo vivo está formado por al menos una célula y cada célula nueva solo puede surgir de una más antigua.Moléculas pequeñas y desordenadas que el organismo incorpora como materiaprimaFunciones vitalesLa vida es un conjunto de procesos vitales que sustentan la forma y la función de un cuerpo, al menos durante un espacio de tiempo lo bastante largo para que produzca descendencia.Un cuerpo de célulasUn cuerpo vivo comienza con una sola célula, creada por un organismo más antiguo. Esa célula se divide y se especializa en diferentes tipos de células para construir el cuerpo.El organismo ensambla moléculas para formar estructuras ordenadas, como órganosEl organismo libera energía térmica, lo que incrementala entropía generalSE ESTIMA QUE HAYEN LA TIERRA UNOS 8,7 MILLONES DE ESPECIESTodas las células nuevas surgen de una célula preexistenteToda vida comienza con una célulaCÉLULANUEVAS CÉLULASCUERPOTodo cuerpo vivo está formado por al menos una célulaEXCRECIÓNMOVIMIENTOMOLÉCULASCUERPOCALOR
Homeostasis
Para funcionar, un ser vivo mantiene un equilibrio interno constante. Lo logra con un proceso llamado homeostasis, que consiste en que varios mecanismos interconectados regulan factores internos como la temperatura, el nivel de agua y el equilibrio químico de los fluidos corporales.RetroalimentaciónLa homeostasis se basa en un sistema de retroalimentación negativa que responde a cualquier cambio en las condiciones internas para mantenerlas lo más estables posible. Un sistema de retroalimentación consta de varias fases y devuelve las condiciones internas a un estado óptimo, al contrarrestar cualquier cambio que se detecte.Balance hídricoEl agua es el ingrediente principal de todos los cuerpos vivos, y el control del nivel de agua (osmorregulación) es crucial. El agua se traslada por ósmosis desde un área de baja concentración de sal a un área de alta concentración. El objetivo de la osmorregulación es mantener en niveles óptimos las concentraciones de sustancias químicas en el citoplasma de las células y en otros fluidos corporales para que los procesos metabólicos funcionen de manera eficiente. Esto implica eliminar el exceso de agua y absorber más cuando falta. El agua se agota debido a diversos procesos corporales, como la producción de orina líquida para eliminar toxinas y, en los animales terrestres, la sudoración que regula la temperatura corporal.Balance hídrico en diferentesambientesLa forma en que se gestiona el equilibrio hídrico de un organismodepende decómo el agua entray sale del organismo, en lo cual influye mucho su hábitat.Los cuerpos de los animales de agua dulce son más salados que el agua circundante, por lo que entra en ellos un exceso de agua que deben eliminar para mantener el equilibrio interno.AguaGran cantidad de orina acuosaAGUA DULCEConservar el equilibrioEl cuerpo se autorregula gracias a receptores que captan cambios en las condiciones y efectores que alteran esas condiciones. Los receptoresson generalmente células nerviosas;los efectores pueden ser mecanismos físicos, químicos o conductuales.El agua entra en el cuerpo por ósmosisSalMayor concentración de sal en el cuerpoMenor concentración de sal en el aguaUn centro de control, a menudo en el cerebro,recibe la señal que indica que las condiciones han cambiado.Las condiciones internasdel cuerpo se encuentran en un estado óptimo y equilibrado.El centro de control envía una señal a un mecanismo efector para contrarrestar el cambio.Un evento dentro o fuera del cuerpo desequilibra lascondiciones internas del cuerpo.Un receptor detecta el cambio en las condiciones internas y envía una señal al centro de control.El mecanismo efector trabaja paradevolver las condiciones internasa un estado óptimo.CARPA
¿QUÉ ES LA VIDA?Homeostasis1312MANTENERSE CALIENTEMANTENERSE FRESCOEndotermos (de sangre caliente)Ectotermos (de sangre fría)El aislamiento corporal (como el pelo, las plumas o la grasa) reduce la pérdida de calor.El temblor en los músculos libera calor al resto del cuerpo.Los vasos sanguíneos de la piel se contraen para reducir la cantidad de sangre caliente que llega a la superficie del cuerpo.Tomar el sol sobre una roca caliente.Descansar a la sombra.La sudoración y el jadeo hacen que el sudor líquido o la saliva se evaporen y se conviertan en vapor, lo que enfría el cuerpo. Los vasos sanguíneos de la piel se dilatan, lo que hace que llegue más sangre a la superficie exterior del cuerpo,y así se pierde calor. En el mar, el cuerpo de un animal es menossalado que el agua y continuamente pierde agua mediante ósmosis, por lo que deben absorberla continuamente para reemplazar la que pierden.Los animales terrestres pierden continuamente agua ensu entorno, y deben conservar, regular y absorber agua para mantener el correcto equilibrio interno.AGUA SALADAAIRESi baja el nivel de agua, la planta cierra sus estomas, unos poros que permiten que gases y vapor de agua entren y salgan de las hojas (p. 147). Los poros están entre dos células que cambian de forma según el agua entra o sale de sus vacuolas para abrir o cerrar los poros.LA HOMEOSTASIS EN LAS PLANTASRegular la temperaturaLos animales controlan la temperatura corporal (termorregulación) de dos formas. Los endotermos (de sangre caliente) controlan activamente su temperatura con procesos internos como la sudoración o el temblor. Los ectotermos (de sangre fría) dependen del calor o frío externo para regularla. Por ello, los endotermos pueden estar activos en condiciones más frías y habitar en climas diferentes.ALGUNOS DINOSAURIOS TENÍANPLUMAS, LO QUE SUGIERE QUE ERAN ENDOTERMOSESTOMA CERRADOESTOMA ABIERTOLa vacuola contiene poca aguaPoro cerradoCélula de controlPequeña cantidad de orina poco concentradaAguaAgua ingeridaAgua perdida porsudoraciónLa cantidad y la concentración de la orina varía para controlar el equilibrio hídricoVapor de agua exhaladoAgua ingeridaEl agua sale del cuerpo por ósmosisPoro abiertoVacuolallena de aguaLa piel relativamente impermeable reduce la pérdida de aguaSalMenor concentración de sal en el cuerpoMayor concentración de sal en el aguaMenor concentración de agua en el aireSalCABALLOBESUGO
Los reinos
de la vida
Para ordenar la diversidad de la vida, los organismos se clasifican en taxones, grupos con características compartidas. Los taxones se clasifican por tamaño, empezando por los dominios y por los reinos.En 1977, el microbiólogo Carl Woese vio que las formas de vida se dividen en tres dominios por su estructura celular y la forma de su ARN ribosómico. Los eucariotas son organismos cuyas células tienen un núcleo. Las arqueas y las bacterias notienen núcleocelular y cada grupo tiene una estructura de membrana celular diferente.TRES DOMINIOSLos cinco reinosEl taxónomo sueco Carlos Linneo, creador del sistema de clasificación más utilizado, creía que la vida se dividía en dos reinos: animales y plantas. Sin embargo, el descubrimiento de los microorganismos y los avances en la biología celular han revelado que la vida se puede agrupar en cinco reinos. Si bien estos reinos tienen ciertas características distintivas a gran escala, la mayoría de las características que los definen solo se ven a nivel celular. PROCARIONTES(PROKARYOTA)PLANTAS(PLANTAE)PROTISTAS (PROTISTA) Este reino comprende las bacterias y las arqueas (un grupo distinto de organismos primitivos). Los procariotasson microorganismos unicelulares. Sus células son más pequeñas que las de otros reinos, suelen tener formas simples, no contienen núcleo ni otras estructuras rodeadas de membranas, y el ADNestá agrupado en un cromosomaúnico y simple. Las plantas son organismos multicelulares que obtienen energía para sobrevivir mediante la fotosíntesis.Este reino incluye plantas simples, como musgos y helechos, y otras más grandes y complejas, como coníferas y angiospermas (plantas con flores). Sus células poseen paredes (normalmente de celulosa) y núcleo,así como orgánulos internos, porejemplo cloroplastos.Estos organismos pueden tener paredes celulares, cilios o flagelos móviles, o estar encapsulados en quistes (especie de caparazones). Las células de protistas tienen un núcleo que contiene ADN en cromosomas y orgánulos internos. Algunos, por ejemplo lasamebas,ingieren alimentos comolos animales. Otros, como las diatomeas, obtienen su energía mediante fotosíntesis, igual que las plantas. FLAGELADOSCOCOBACILOESPIRILOÁRBOLHELECHOPLANTA CON FLORESAMEBADIATOMEABacteriaEukaryaArchaea
¿QUÉ ES LA VIDA?Los reinos de la vida1514HONGOS (FUNGI)ANIMALES (ANIMALIA)Todas las células de hongos utilizan la quitina, un polímero biológico,para construir sus paredes celulares. Muchosanimales invertebrados usan la misma sustancia.Los hongos son saprófitos, lo que significa que crecen en su fuente de alimento,a menudo en redes defilamentos apenas perceptibles, y segregan enzimaspara digerirla de forma externa. Las setas son cuerpos fructíferos temporales que propagan esporas. Los animales son organismos multicelulares, a menudo muy complejos, quenecesitan ingerir otros organismos para alimentarse y obtener energía. Sus células tienen núcleo y orgánulos internos, como mitocondrias, pero no tienenuna pared celular rígida. Muchos animales pueden moverse librementedurante al menos parte de su ciclo de vida, y la mayoría necesita oxígeno pararealizar el metabolismo (losprocesos celulares necesarios para la vida). Reino ChromistaSegún algunos científicos, existe un sexto reino llamado Chromista al que pertenecen organismos unicelulares extraídos de Protista y algas marinas multicelulares, como las del género Laminaria, hoy consideradas plantas. Las células tienen orgánulos con clorofila, o estructuras que evolucionaron a partir de estos. Como resultado, Chromista también incluye al parásito Plasmodium, que provoca la malaria. Nombrar organismosLas especies se clasifican mediante un sistema binomial para el género (grupo general) y la especie (organismo particular). Esto elimina la confusión de nombres locales. Por ejemplo, tanto en Reino Unido como en América del Norte existen aves llamadas en inglés robin, pero son especies distintas y se clasifican de manera diferente. LEVADURASETAMOHOPETIRROJO (EUROPEAN ROBIN)ERITHACUS RUBECULALAMINARIAZORZAL ROBÍN (AMERICAN ROBIN)TURDUS MIGRATORIUSPEZAVEMAMÍFEROANÉLIDOCNIDARIOINSECTOREPTILSustratode rocaEl anclaje la sujeta al sustratoLas hojas contienen clorofila para la fotosíntesis El estípite soporta las frondas
FilamentosoVirus helicoidales que forman hebras largas y finas, como el virus del ébola humano.IcosaédricoSu envoltura externa tiene muchas caras, normalmente veinte (formando un icosaedro), por ejemplo los adenovirus.BaciliformeSolo unos cuantos virus de ARN presentan esta estructura en forma de pastilla o de bala, por ejemplo el virus de la rabia.Varilla helicoidalEstos virus tienden a atacar a las plantas. El ADN o ARN y la cubierta de proteínas tienen forma de muelle.EsféricosMuchos virus humanos comunes tienen estaforma.La envolturaexterior es esférica, pero la cápside interior es helicoidal.ComplejosEstos virus, llamados bacteriófagos, se posan sobre las bacterias con sus «patas» y les inyectan su ADN.
Los virus
Un virus es un paquete de ADN o ARN (material genético) parasitario. Un parásito roba los recursos de un huésped. Los virus se apoderan de la maquinaria de una célula para replicar sus propios genes, lo que provoca enfermedades al huésped.Estructura de los virusLos virus no son células y no tienen las estructuras celulares necesarias para realizar los procesos vitales. Constan esencialmente de una hebra de material genético, ADN o ARN, dentro de una capa protectora de proteínas. La mayoría de los virus son pequeños en comparación con una célula del cuerpo humano. Normalmente, unas 50 veces más pequeños.Formas de virusExiste una gran diversidad en el tamaño y la forma de los virus, y se desconoce cuántos virus existen. Se han identificado muchos miles en mamíferos, aves y plantas, pero es probable que aún queden millones de tipos por investigar que atacan a otros organismos.Un virus ataca la célula huéspedUn virus entra en un cuerpo y se adhiere a una célula huésped. Busca células que tengan receptores coincidentes conlas proteínas de su exterior.1HAY MÁS VIRUS EN 1 LITRO DE AGUA MARINA QUE PERSONASEN LATIERRAVIRUSVIRUSCÉLULA HUÉSPEDLa cápside (una envoltura proteica) rodea el material genéticoADN de la célula huéspedLas proteínas de superficie o «picos» se fijan a las proteínas de superficie de una célula huéspedUna sola hebra de ARN o una doble hebra de ADN contieneel material genético delvirusLas unidades proteicas de los capsómeros forman la cápside. Los genes víricos llevan el código del capsómero yotrasproteínasviralesMaterial genético del virus La envolturaexterior, presente en la mayoría de los virus, está formada por lípidos y proteínas¿ESTÁN VIVOS LOS VIRUS?Por lo general, se considera que los virus no están vivos, porque no realizan por sí mismos los procesos esenciales de la vida, como la reproducción y la alimentación.
¿QUÉ ES LA VIDA?Los virus1716Replicación viralUn virus no puede reproducirse por sí solo. Para hacerlo, necesita apoderarse de una célula huésped y utilizarla para replicar su propio material genético. De esta forma, la célula produce muchas copias del virus y finalmente muere. Esta destrucción de células provoca enfermedades como la gripe y la COVID-19.Los genes virales entran en la célula La envoltura viral permanece fuera de la célula huésped, pero el material genético del virus,generalmentecon la cápside, se inyecta a través de la membrana celular.2Los genes virales se unen al ADN del huésped A veces, el ADN viral se replica con material del citoplasma de la célula, o bien se añade al material genético de la célula.3La célula huésped replica el ADN viralDe forma alternativa, la célula huésped produce numerosas copias del ADN del virus, que llenan el citoplasma de la célula.5Se genera una envoltura víricaLos genes víricos ordenan a la célula que produzca proteínas que las nuevas partículas víricas necesitan para formar una cápside alrededor de su ADN.6Formación de nuevas partículas víricasTodas las partes del virus se ensamblan para producir nuevas partículas víricas, capaces de atacar nuevas células huésped.Se liberan nuevas partículas víricasLa célula estalla y libera nuevos virus. Algunos virus pueden robar parte de la membrana de la célula alemerger.78La célula huésped se divide y replica el ADNEl ADN vírico se copia mediante el ADN de la célula huésped cuando la célula se divide. Las células hijas llevan consigo el virus. 4Genes víricos en el ADN de lacélulaNueva partículavíricaProteínas de la envolturavíricaCopia de los genes víricos El material genético delviruspuede ser ADN o ARNLa célula huésped se abreVirus del ébolaVirus filamentoso que afecta a humanos y a otros mamíferos y provocahemorragias internasgraves, a menudo mortales.Virus del mosaico del tabacoUn virus de varilla helicoidal que ataca a las plantas de tabaco. Se descubrió a finales del siglo xx y fue el primer virus conocido. VIHVirus esférico que daña el sistema inmunitario humano, lo que lleva a otras infecciones graves.CoronavirusVirus en forma de corona que afectan las vías respiratorias de los humanos, como la COVID-19 y los causantes de resfriados.Virus del papiloma humanoGrupo devirusicosaédricos, algunos de los cualescausan verrugaso ciertos cánceres, como elcáncer de cuello uterino.Virus de la varicela-zósterVirus icosaédrico que puede causar varicela y herpes zóster en humanos. Otros virus similares causan herpes labial.AdenovirusGrupo de virus icosaédricos que causan diversas enfermedades en humanos, como variostipos de resfriado común.Virus de la rabiaVirus baciliforme que ataca el cerebro humano y de muchos otros mamíferos y causa la muerte si no se trata a tiempo.VIRUS CAUSANTES DE ENFERMEDADES
Bacterias litótrofasLas bacterias litótrofas, o comerrocas, viven muy por debajo de la superficie, sin luz solar ni oxígeno, y obtienen energía metabolizando el azufre y el hierro de las rocas.
La biosfera
La biosfera es la región situada en la superficie o cerca de la superficie de la Tierra en la que es posible la vida. Por definición, toda la vida en nuestro planeta existe dentro de la biosfera, y solo los humanos han logrado viajar al exterior de esta. Energía y recursosLas formas de vida no sobreviven por sí mismas, sino que se asocian en comunidades llamadas ecosistemas (ver pp. 182-83). La biosfera es la región de la Tierra que contiene todos estos ecosistemas. Cada ecosistema tiene un conjunto de factores ecológicos que gobiernan su funcionamiento, entre ellos factores no vivos o abióticos. Entre estos factores abióticos hay fuentes de energía, como la luz, y sustancias químicas útiles, como oxígeno, agua líquida y minerales rocosos, y todos provienen de tres esferas o capas: la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera. La biosfera es la región donde estas esferas se combinan para crear condiciones compatibles con la vida.ATMÓSFERAHIDROSFERABIOSFERALITOSFERASUELOCORTEZA CONTINENTALSe tienden a formar pastizales allí donde escasea el agua En las regiones frías hay nieve o hielo, y el agua líquida es escasaEl buitre moteado puede volar a más de 11 km sobre el suelo, la mayor altitud que puede alcanzar un animalLos bosques crecen en zonas húmedasEDAD DE LA BIOSFERAMILLONES DE AÑOS
3500
1918¿QUÉ ES LA VIDA?La biosferaAtmósferaAdemás de contener oxígeno y dióxido de carbono, la atmósfera es la principal fuente de nitrógeno, que se usa para formar proteínas y otras sustancias químicas esenciales para la vida.HidrosferaEsta capa contiene agua, principalmente líquida, aunque puede congelarse o evaporarse y adoptar así forma de hielo o de vapor. La hidrosfera ocupa los océanos, pero también incluye grandes cantidades de agua subterránea en las rocas.BiosferaLa parte más poblada de la biosfera es la tierra firme. Esta forma una superficie sólida en la que crecen densos ecosistemas, como los bosques. Los océanos representan alrededor del 97 por ciento del espacio habitable de la biosfera, pero contienen solo en torno al 10 por ciento de la vida terrestre debido a la relativa falta de nutrientes en el gran volumen de agua.LitosferaA pesar de ser roca sólida, se han hallado bacterias en la litosfera a hasta 10,5 km por debajo del fondo del océano.OCÉANOBIOSFERA 2CORTEZAOCEÁNICASEDIMENTOMANTO SUPERIORLímites de la biosferaLos límites de la biosfera dependen del suministro de energía y de nutrientes, y también del nivel de oxígeno y la temperatura. Por encima de los 6 km de altitud, la atmósfera es demasiado tenue para que respiren la mayoría de los animales. El límite inferior está determinado por la temperatura, que aumenta al aumentar la profundidad. Una vez que las rocas profundas alcanzan unos 120 °C, ni siquiera las bacterias sobreviven. ¿QUÉ TAMAÑO TIENE LA BIOSFERA?No se conoce el tamaño exacto de la biosfera, pero se considera que ocupa un volumen unas dos veces mayor que el de todos los océanos de la Tierra juntos.Para vivir lejos de la Tierra, los seres humanos necesitaríamos una biosfera artificial, con una atmósfera respirable así como otros elementos esenciales, como alimento y agua. Lo principal es que fuera autosostenible. En la década de 1990 se construyó una biosfera artificial experimental (Biosfera 2) en el desierto de Arizona, suroeste de Estados Unidos. La mayor parte de Biosfera 2 era, en efecto, un enorme invernadero con distintos hábitats. El proyecto también estudió cómo se enfrentan los seres humanos al aislamiento prolongado. Transcurrida más de una década, el proyecto finalizó sin demostrar la viabilidad de un entorno artificial.BIOSFERAS ARTIFICIALESLos vientos atmosféricos propagan esporas de hongos, semillas de plantas, microorganismos e incluso animales diminutos a través de la biosferaLa mayoría de los animales marinos viven a menos de 500 m de la superficieLos nutrientes minerales de la tierra llegan a los océanosGrandes tanques de aire para regular la presión del aireLaboratorioPastizales de sabanaHábitat humanoSelva tropicalOcéanoDesiertoHumedal
Ciclos de nutrientes
El 95 por ciento de los cuerpos vivos están formados por cuatro elementos que circulan por la biosfera: hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno. El hidrógeno y el oxígeno se combinan para producir agua, en un ciclo en gran medida físico. Por el contrario, los ciclos del carbono y del nitrógeno son de tipo biológico.El ciclo el carbonoEl 20 por ciento de un organismo se compone de carbono, pero este solo es el 0,2 por ciento del material natural no vivo. La vida toma carbono del ambiente, principalmente con la fotosíntesis. Los seres vivos, durante la respiración y al morir, liberan carbono, que regresa a los sumideros de carbono naturales, como la atmósfera, las rocas y los depósitos de petróleo y gas. Sin embargo, la actividad humana está alterando este ciclo natural del carbono.Al quemar materia orgánica, como combustibles fósiles, se libera calor, cenizas y CO2. Al quemar combustibles fósiles para generar energía,el carbono pasa de los sumideros subterráneos a la atmósfera. Elnivel de carbono atmosférico está aumentando, lo que provoca el cambio climático. Casi todos los seres vivos producen CO2como producto de desecho de la respiración, el proceso bioquímico queliberaenergía de los alimentos. El carbono de los organismos muertos es liberado por las bacterias y por otros descomponedores.COMBUSTIBLES FÓSILESLos depósitos de carbono subterráneos que se formaron a partir de restos fosilizados de vida se extraen para su uso como combustible.ROCASLa piedra caliza y el carbón son rocassedimentarias formadas a partir de restos de organismos ricos en carbono. Durante las erupciones, el magma que forma las rocas volcánicas, como el basalto,liberagrandes cantidades de CO2 a la atmósfera.La materia muerta que queda enterrada con poco oxígeno no sedescomponepor completo, por lo que su carbono permanece en el suelo. A lo largo de millones de años, el material que antes estaba vivo se transforma en carbón sólido,en petróleo líquido y en gas natural, como el metano.SERES VIVOS Y MATERIA MUERTATodas las formas de vida contienen carbono. La materia muerta también contiene carbono.Durante millones de años, los sedimentos ricos en carbono que se acumulan en el fondo marino a partirde organismos muertos se transforman en roca. Al mismo tiempo, el agua de mar, que es un poco ácida, ataca la roca y libera más carbono disuelto en un proceso de erosión.FOSILIZACIÓNErosiónSedimentaciónCLAVEPartes del ciclo del carbono tienen lugar en nuestra vida. Otras tardan millones de años.Rápido,natural (durante nuestra vida)Rápido,artificial (durante nuestra vida)Lento (millones de años)Materia muertaReemplazo de mineralesPlantasActividad humanaProcesos bioquímicosAnimalesAlgas unicelularesErupciones volcánicas PROCESOS GEOLÓGICOSCOMBUSTIÓN ARTIFICIALRESPIRACIÓN Y DESCOMPOSICIÓN
¿QUÉ ES LA VIDA?Ciclos de nutrientes2120El CO2atmosféricose disuelve fácilmente en los océanos. El proceso es reversible, y hay un intercambio lento y equilibrado entre el aire y el agua. Con el carbono disuelto, la vida marina forma caparazones de carbonato, que luego crearán sedimentos que formarán rocas en el fondo marino.AtmósferaEl dióxido de carbono (CO2) solo es el 0,04 por ciento de la atmósfera, pero tiene un papel vital en los procesos de la vida y un efecto importante en el climaglobal.NITRATOS EN EL SUELOGAS NITRÓGENEO EN EL AIREEl ciclo del nitrógenoEl nitrógeno es un componente esencial de las proteínas, que son muy importantes para la vida. El nitrógeno es el gas más abundante de la atmósfera, pero no es reactivo. La mayoría de los seres vivos dependen de las bacterias para asimilar o «fijar» el nitrógeno del aire y convertirlo en nitratos, que después son usados por otros organismos.Emisiones de CO2 (milesde millonesde toneladas)Absorción de nitratos por las raíces de lasplantas, que los usan para crecer y curarse Plantas comidas por animalesMuerte y excreciónLas bacterias nitrificantesfijan el nitrógenodel aire. Losrelámpagos combinan nitrógeno y oxígeno en el aireAlgunasraíces tienen bacterias que fijan nitrógenoDescomponedores, como bacterias y hongos, liberan compuestos nitrogenados simples, como el amoníacoINFLUENCIA HUMANA ENEL CICLO DEL CARBONODESECHOS ORGÁNICOSAMONÍACODescomposición por bacterias desnitrificantesLas bacterias del suelo convierten el amoníaco en compuestos orgánicos de nitratoAbsorber CO2Intercambio de CO2TRANSFERENCIA DEL AIRE AL MAROCÉANOSEl carbono se almacena en el agua de mar como CO2, ácido carbónico, carbonato de hidrógeno y carbonato.3500 MILLONES DE PERSONASDEPENDEN DEFERTILIZANTES DE NITRATO SINTÉTICO PARACULTIVAR ALIMENTOS 1880186019001920194019601980200020200510152025303540AñoEmisiones globales de CO2 A lo largo de los últimos dos siglos, la quema de combustibles fósiles por parte del hombre ha transferido varios miles de millones de toneladas de carbono de los sumideros subterráneos a la atmósfera. El carbono agregado al aire atrapa el calor, lo que está cambiando el clima global y creando condiciones climáticas extremas.Las plantas terrestres usan la energía de la luz solar para retener el CO2en moléculasmás grandes y complejas,como los azúcares. Las algas unicelulares realizan una hazaña equivalente en las aguas superficiales del océano. El carbono orgánico pasa luego a las cadenas alimentarias.FOTOSÍNTESIS
Extremófilos«Extremófilo» significa «que ama las condiciones extremas». La mayoría de los extremófilos son bacterias y arqueas, que evolucionaron cuando la biosfera era un lugar mucho más hostil, aunque algunos tipos de ranas, peces, insectos y crustáceos también se encuentran en hábitats extremos. Los extremófilos están adaptados a un extremo específico. Algunos sobreviven a un calor que destruiría las enzimas de los organismos ordinarios, o resisten condiciones de congelación en las que se detendría el metabolismo celular normal. Otros pueden hacer frente a altos niveles de sustancias químicas que normalmente alterarían la capacidad de un organismo para regular sus funciones normales.
Entornos
extremos
La temperatura promedio del aire en la Tierra es de 14 °C, y la de la superficie del océano, de 20 °C. La mayoría de los organismos viven bien en estas condiciones, pero algunos sobreviven al frío o al calor severo o toleran sustancias químicas dañinas. Son los extremófilos.LA BACTERIA DEINOCOCCUS RADIODURANS ES UNO DE LOS MICROORGANISMOS MÁS RESISTENTES; PUEDE SOBREVIVIRINCLUSO AL VACÍO DEL ESPACIOLa radiactividad daña las células, y cuando intentan dividirse se destruyen. Los niveles nocivos de radiactividad son en gran medida un fenómeno provocado por los humanos.En la naturaleza, los nivelesson relativamente bajos. Sin embargo, algunas formas de vida son más resistentes que otras: la radiación tiene menos impacto en los insectos, ya que sus células se dividen con menos frecuencia que las de los mamíferos, que producen miles de millones de nuevas células cada día.SOBREVIVIR A LARADIACIÓNTermófilos Estos microorganismos amantes del calor sobreviven en agua amás de 40 °C, hasta unos 80 °C. Normalmente,las proteínas, como las enzimas, se desnaturalizan a altastemperaturas: pierden su estructura y su función normales. Los termófilos tienenproteínasresistentes al calor reforzadas con enlaces reticulados paramantener su forma y seguir funcionando a altas temperaturas.PsicrófilosEstos amantes del frío son resistentes a la congelación. Entre ellos hay ranas que pasan el invierno en el agua de ríos helados. Si una célula normal está en condiciones de congelación,se forman grandes cristales de hielo en su citoplasma (p. 54) que la destruyen. El citoplasma de los psicrófilos tiene crioprotectores o proteínasanticongelantes que hacen que el hielo forme cristales diminutos. Estructura normal de la proteínaPROTEÍNA ORDINARIAHIELO EN UNA CÉLULA RESISTENTE AL FRÍOHIELO EN UNA CÉLULA NORMALPROTEÍNA DESNATURALIZADAPROTEÍNA RESISTENTE AL CALORPROTEÍNA ESTABLECALORFRÍOPierde su estructura normal a causa del calorEnlace estabilizador de reticulaciónConserva su estructuraCristal de hielo dentro de la célulaLos cristales de hielo crecenCristal que impide crecerProteína anticongelanteFRÍOCALOR
¿QUÉ ES LA VIDA?Entornos extremos2322TardígradosEstos animales microscópicos sobreviven en agua hirviendo, congelados a -200 °C e incluso en el espacio. Los tardígrados suelen vivir en ambientes húmedos, como la tierra y los sedimentos marinos o de agua dulce. Sin embargo, en condiciones secas o sin oxígeno y en otras condiciones extremas, algunas especies asumen estados inactivos en los que pueden sobrevivir años o incluso siglos. ¿PUEDEN SER ÚTILES LOS EXTREMÓFILOS?Las enzimas resistentes al calor de las bacterias termófilas se usan en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR, p. 204), en que se calienta el ADN para analizarlo. La PCR se usa para detectar infecciones como la COVID-19.AnoxobiosisLas condiciones de falta de oxígeno hacen que elcuerpo del tardígrado absorba mayores niveles de agua, por lo que se hincha y se vuelve rígido e inmóvil. El tardígrado queda inactivo.Estado activoEn condicionesfavorables, un tardígrado es completamente funcionaly capaz de comer, moverse,crecer y reproducirse.QuistePara resistir los cambios lentos como los cambios estacionales, el tardígrado acumula capas adicionales de cutícula. Su cuerpo se arruga dentro de una cutícula gruesa y endurecida, y produce un quiste.TonelEn condicionesextremadamente frías, saladas o secas, los procesos de vida se suspenden. El cuerpodel tardígrado se seca, se encoge y se enrosca. Este estado se llama estado de tonel. AcidófilosUn ácido, al mezclarse con agua, aumenta la concentración de iones de hidrógeno cargados positivamente (H+).Estos dañan la mayoría de las células, pero los acidófilos tienen una bomba de protones quelos expulsa para así mantenerneutro el pH interno de la célula. Para evitar que las células se carguen negativamente y atraigan más iones H+, se introducen iones de potasio (K+).HalófilosEstos extremófilos amantesde la sal viven principalmente donde el agua de mar se evapora y deja altas concentraciones de sal. Así, la saladilla es una planta que crece cerca de costas donde los niveles de sal son demasiado altos para otras especies. La planta absorbe agua salada y almacena la sal en una vacuola (p. 63). Las hojas más viejas contienen más sal y se eliminan para así librarse de ella.SALADILLALa planta pierde agua con la transpiración de lashojasÁcido expulsado de la célulaCuerpo encogidoCuerpo encogidoCabezaCuatro pares de patasPies dotados de garrasMúltiples capas de cutículaCuerpo rígido lleno de aguaCutícula dura de protecciónSe bombea potasio para equilibrar la carga eléctricaTransportador de potasioBomba de protonesENERGÍAÁcido PotasioMembrana celularEl ácido entra en la célulaHojas suculentasLa planta absorbe sal y agua a través de las raícesLas hojas llenas de sal caenLa sal se almacena en la vacuola SalH+H+H+H+K+K+K+K+K+H+H+H+CÉLULA DE HOJALa energía activa la bomba de protones
La atmósfera primitiva de la Tierra estaba llena de compuestos simples, ricos en carbono y nitrógeno liberados por la actividad volcánica. Estos se disolvieron en el agua de los océanos.Rayos, erupciones volcánicas o la luz solar y ultravioleta hicieron que los compuestos se unieran para formar sustanciasorgánicas simples como azúcares y aminoácidos.El proceso de creación de moléculas más complejas siguió y las moléculas orgánicassimples formaron polímeros (moléculas largas hechas de cadenas más pequeñas), creando proteínasprimitivas(péptidos), lípidos (grasas) ycarbohidratos (azúcares).123
Origen de la vida
Se cree que la vida comenzó hace 3700 millones de años, unos cientos de millones de años después de formarse el planeta. Se desconoce el proceso, llamado abiogénesis, por el cual se generaron las primeras formas de vida a partir de material no vivo, pero se han propuesto varias teorías.AguaDióxido de carbonoAmoníacoMetanoINGREDIENTES INORGÁNICOSOxígenoEl caldo primigenioLa primera teoría científica importante sobre el origen de la vida, la teoría del «caldo primordial», se planteó a principios del siglo xx. Según esta teoría, los primeros océanos de la Tierra contenían las materias primas para la vida, y las estructuras químicas complejas, como el ADN y las proteínas, se crearon a partir de ellas durante un largo período de interacciones químicas aleatorias.ENERGÍA DEL CALOR GEOTÉRMICO Y DE LOS RAYOSAminoácidosAzúcaresMOLÉCULAS ORGÁNICAS SIMPLESEL OXÍGENOERA TÓXICOPARA LAS PRIMERAS FORMAS DEVIDAPéptidoCadena de azúcarFosfolípidoMOLÉCULAS ORGÁNICAS COMPLEJASChimenea formada por la deposición de minerales en el agua caliente y rica en sustancias químicas que asciende a través de la corteza CHIMENEA¿HAY ESPECIES QUE AÚN EVOLUCIONAN?Sí, constantemente se desarrollan nuevas especies, y las existentes siguen aún evolucionando, aunque el ritmo de esos cambios puede ser lento.
¿QUÉ ES LA VIDA?Origen de la vida2524En algunas moléculas orgánicas, un extremo repele elaguay el otro se siente atraído por ella. En el agua, estas moléculas se agruparon en membranas con el extremo atraídopor el agua como capa exterior.Algunas membranas formaron sacos o vesículas.Primeras célulasARNREPLICADORESCÉLULASMembranaVesículaMEMBRANASFuentes hidrotermalesSegún una teoría, la vida surgió en respiraderos hidrotermales del fondo del océano, donde el calor y los minerales brotan de la corteza terrestre. El calor y la presión dieron las condiciones para la creación de sustancias complejas, que luego podrían combinarse para formar protocélulas. El rico suministro de productos químicos y minerales puede haber impulsado reacciones químicas en esas protocélulas.El agua más fría del océano se mezclaMoléculas simples en el agua del interior de lacorteza terrestreLos cristales minerales actúan como catalizadores para la formación de moléculas complejasFUENTE HIDROTERMALSe forman vesículasen lasregiones más fríasSe liberan estructuras primitivassimilaresa células (protocélulas)Circulación del aguaSe forman moléculas replicadoras complejasLos minerales del interior de la Tierra se enfrían y solidifican para formar chimeneas El agua rica en sustancias químicas, calentada por el magma, sube por fisuras en la corteza Se cree que algunos polímeros podían autocatalizarse: una molécula actuaba como plantilla para construir una segunda. Estas sustancias autorreplicantes competían por las materias primas y evolucionaron por selección natural hasta que surgió el ARN.Las primerasprotocélulaspudieron ser un simple polímero replicante en una vesícula membranosa que almacenaba las materias y sustancias químicas usadas en unas cadenas de reacciones que eran la forma más temprana de metabolismo.445
