Ii hablemos de biología Andrés Moreira Departamento de Informática utfsm ¿Qué es la biología?



Descargar 8,44 Mb.
Fecha de conversión02.05.2017
Tamaño8,44 Mb.

II Hablemos de biología

  • Andrés Moreira
  • Departamento de Informática UTFSM

¿Qué es la biología?

  • Ok. La ciencia que estudia la vida. O “las cosas vivas”.
  • Detengámonos en lo primero: es una ciencia.
  • En rigor, ni la matemática ni la informática lo son.
  • impera el método científico
  • las teorías son “ciertas” sólo hasta nuevo aviso
  • pueden haber explicaciones alternativas, ambas válidas
  • el árbitro es la naturaleza

¿Qué es la biología?

  • Método científico:
  • Plantear el problema
  • Crear una hipótesis
  • Diseñar un test para poner a prueba la hipótesis
  • Recoger datos y analizarlos
  • Sacar una conclusión
  • Goto 1

¿Qué es la biología?

  • Además, trata con el “mundo real”, no con objetos abstractos.
  • Ergo:
  • Todo (o casi casi todo) tiene excepciones
  • Todo problema está conectado a otros problemas
  • Todo fenómeno tiene componentes que no son locales
  • David B. Searls, Grand Challenges in
  • Computational Biology, 1998

¿Qué es la biología?

  • Otros alcances sobre la biología, las ciencias y demases, aparecerán sobre la marcha en el curso.
  • Pero vaya desde ya una advertencia:
  • Es recomendable tenerle respeto a la biología, y a los biólogos (muchas cosas que parecen triviales, no lo son).

¿Y qué es la vida?

  • La biología estudia “la vida”. ¿Qué es eso?
  • No es trivial definir “vida”.
  • Dos aproximaciones:
  • ver qué cosas en común tienen los objetos que conocemos y llamamos “vivos”
  • tratar de aislar lo esencial del concepto abstracto
  • Ambas tienen sus peros. Pero lo que está bastante descartado es que haya algún tipo de “sustancia” o “espíritu” esencial.

¿Y qué es la vida?

  • Lo más común es pedir una lista de condiciones:
  • homeostasis (autoregulación del interior)
  • metabolismo (consumo de energía)
  • organización (compuesto de partes interdependientes)
  • crecimiento
  • respuesta a estímulos
  • reproducción
  • adaptación (evolución)
  • Problema: ¿se deben pedir todas? ¿Qué pasa con una mula, infértil? ¿Con el fuego? ¿Con los virus?

¿Y qué es la vida?

  • Mirando los organismos que conocemos, se podría agregar:
  • -composición basada en carbono y agua
  • organización basada en células
  • información almacenada en ácidos nucléicos, codificada según el código genético universal
  • Problema: Marte. O vida artificial. ...etc, etc.
  • Sería preferible una caracterización abstracta de la vida como un tipo de proceso.

¿Y qué es la vida?

  • Erwin Schrödinger (en su influyente ensayo What is life?, 1944) puso énfasis en el consumo de “entropía negativa” (energía libre) que hacen los seres vivos. Revierten (localmente) la 2da. ley de la termodinámica, gracias a ser sistemas abiertos.
  • Hasta el día de hoy es una perspectiva fértil.

¿Y qué es la vida?

  • Otra aproximación es a través del concepto de autopoiesis, de Francisco Varela y Humberto Maturana (1973).
  • “Un sistema autopoiético está organizado como una red de procesos de producción (síntesis y destrucción) de componentes, de forma tal que estos componentes (i) se regeneran continuamente e integran la red de transformaciones que los produjo, y (ii) constituyen al sistema como una unidad distinguible en su dominio de existencia.”
  • Básicamente, un sistema compuesto por partes, que genera y mantiene sus propios componentes y sus relaciones.

¿Y qué es la vida?

  • Varela enfatizaba lo de “unidad distinguible”; el sistema debe generar y mantener su “frontera” que lo define:
  • “[Cells] ... create a boundary, a membrane, which constrains the network that has produced the constituents of the membrane. This is a logical bootstrap, a loop [...]. This bootstrap is precisely what's unique about cells. A self-distinguishing entity exists when the bootstrap is completed. This entity has produced its own boundary. [...] It bootstraps itself out of a soup of chemistry and physics.”
  • En otro punto dice que “un sistema físico está vivo cuando es capaz de transformar materia/energía externa en un proceso de automantención y autogeneración”.

¿Y qué es la vida?

  • Stuart Kauffman (al menos en Investigations, 2000) da una definición “sistémica” que recoge elementos de las anteriores:
  • Un sistema vivo sería un ente “autónomo, capaz de reproducirse, y de completar al menos un ciclo de trabajo termodinámico.”
  • ¿Con qué definición nos quedaremos?
  • En realidad no importa mucho para este curso. Pero es un tema (filosófico, ético, y también científico).
  • Para interesados, http://en.citizendium.org/wiki/Life

Células

  • Volvamos a los seres vivos que conocemos.
  • En el siglo XVII Robert Hooke acuñó el termino de “célula” (en realidad, “cell”), tras ver una estructura al parecer elemental en los tejidos del corcho.
  • Por la misma época Antony van Leeuwenhoek descubrió los “animálculos”; observó glóbulos rojos y protozoos. Por primera vez, se veían células vivas.

Células

  • En 1838 Mathias Schleiden establece que todos los tejidos vegetales están formados por células.
  • En 1839, Theodor Schwann establece lo mismo para los tejidos animales, y propuso una base celular para toda la vida.
  • En 1858 Rudolf Virchow, estudiando cánceres, concluye que las células nacen de células preexistentes (“Omnis cellula e cellula”).

Células

  • Con eso queda establecida la “teoría celular”:
  • Todos los seres vivos están hechos de células (que eventualmente puede ser una sola).
  • La célula es la estructura básica, de estructura y función.
  • Las células nuevas nacen de células anteriores.
  • Más adelante se agregó otro item:
  • El material hereditario pasa de la célula madre a las células hijas.

Células

  • Durante este curso, casi todo proceso del que hablemos ocurre dentro de una célula. Es la unidad protagónica.
  • Por lo demás, una célula individual satisface las condiciones que se piden para definir “vida”. Sus partes, en cambio, ya no.
  • Todas las células convierten energía de una forma a otra, reaccionan a su medio ambiente y se reproducen. El metabolismo ocurre en las células.
  • Todas las células están rodeadas por una membrana plasmática que separa el contenido celular del medio ambiente.
  • Todas las células contienen DNA como depósito de la información genética y lo utilizan como guía para la síntesis de proteínas.

Células

  • Todas las células tienen básicamente la misma bioquímica; también comparten los mismos mecanismos de codificación genética.
  • Hay básicamente dos tipos principales, eucariotas y procariotas.
  • Las procariotas son más simples, y más pequeñas (entre 0.5 y 5 m de diámetro); las eucariotas típicamente están entre 5 y 100 m (pero existen algunas gigantes, como los huevos).

Células

  • procariota
  • eucariota animal
  • eucariota vegetal

Moléculas

  • Ok. ¿Y de qué están hechas las células? De moléculas.
  • Grandes (como el DNA) o chicas (como la glucosa).
  • Aparte del agua (abundante y esencial), la gran mayoría son moléculas orgánicas, con un esqueleto de carbono y algunos átomos de hidrógeno.
  • Por lo general una molécula biológica aislada mantiene su forma; algunas contienen articulaciones que permiten movimientos de sus partes.

Moléculas

  • A la “columna vertebral” de carbono se unen grupos de átomos, llamados grupos funcionales, que determinan las características y la reactividad química de las moléculas:
  • Carbono
  • Hidrógeno -H
  • Hidroxilo -OH
  • Carboxilo -COOH
  • Amino -NH2
  • Fosfato -H2PO4
  • Metilo -CH3

Moléculas

  • Hay cuatro tipos de macromoléculas biológicas:
  • Carbohidratos
  • Lípidos
  • Proteínas
  • Ácidos nucléicos
  • En cada caso, las moléculas grandes son polímeros, cadenas largas formadas a partir de monómeros.

Moléculas: carbohidratos

  • Hay monosacáridos (como la glucosa), disacáridos (como la sacarosa) y polisacáridos (como el almidón y la celulosa).
  • Carbohidratos: Normalmente contienen carbono, oxígeno e hidrógeno y su fórmula aproximada es (CH2O)n. Almacenan y transportan energía, y también tienen funciones estructurales.

Moléculas: carbohidratos

Moléculas: lípidos

  • Lípidos: contienen una alta proporción de carbono e hidrógeno; también almacenan energía, y gracias a no ser solubles en agua, tienen funciones estructurales en las membranas (entre otros roles). El monómero en este caso son los ácidos grasos.

Moléculas: proteínas

  • Proteínas: son las moléculas más abundantes en las células, están en todos los lugares de la célula, y cumplen funciones fundamentales: estructurales, regulatorias, enzimáticas, hormonales, de transporte, inmunológicas, etc etc.
  • El monómero en este caso son los aminoácidos, compuestos simples que vienen en 20 tipos distintos, y siguen un mismo esquema general.

Moléculas: proteínas

  • Clases:
  • dentro de una misma clase, los aminoácidos suelen ser intercambiables (o sea, su reemplazo no le cambia la forma a la proteína).

Moléculas: proteínas

  • Los aminoácidos se unen a través del “enlace peptídico”. A una cadena “corta” (menos de 50) se le llama péptido. De ahí para arriba, proteína.

Moléculas: proteínas

Moléculas: ácidos nucléicos

  • En los ácidos nucléicos los monómeros son nucleótidos, formados por un grupo fosfato, un azúcar (ribosa o desoxirribosa), y una base nitrogenada (que da la “letra”, A,C,G,T).

Moléculas: ácidos nucléicos

  • Hay nucleótidos individuales importantes, como el ATP (adenosintrifosfato), que es el principal transportador de energía a corto plazo dentro de la célula.
  • Pero más famosos aún son los polímeros, DNA y RNA.

Moléculas: ácidos nucléicos

  • Los nucleótidos en el DNA son 4: adenina, citosina, guanina y timina (que dan el alfabeto, A,C,G,T).
  • El azúcar en el DNA es desoxirribosa.
  • En el RNA, el azúcar es ribosa, y la timina se reemplaza por uracilo (así que la T cambia a U).

Moléculas: ácidos nucléicos

  • James Watson y Francis Crick, en 1953, determinaron la estructura del DNA.
  • Los cuatro tipos de nucleótidos se ordenan en pares (A con T, C con G), que forman puentes de hidrógeno entre sí. Son los peldaños de la doble hélice.

Moléculas: ácidos nucléicos

  • La hebra de cada hélice se forma por un enlace entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar de la siguiente.
  • Ojo: Esto le da una dirección a las hebras!

Origen

  • ¿Y de dónde salieron todas estas cosas? Es un tema sobre el que también ha corrido mucha tinta.
  • Hoy en día, para hacer RNA y DNA se usan proteínas
  • ...y para hacer proteínas se usan RNA y DNA...

Origen

  • Las dificultades son varias:
  • -No hay claridad sobre el lugar donde el “experimento” se llevó a cabo
  • (Playas? “A warm little pond”? Profundidades del mar? Hielos? Otro planeta?)
  • Tampoco hay certeza sobre la composición de la atmósfera en la época .
  • Otro problema: las moléculas no dejan fósiles (y los microorganismos por lo general tampoco).

Origen

  • 4400 millones de años atrás: se forma la corteza
  • 3900 m.a.a.: el planeta tuvo condiciones como para soportar vida (el agua empezó a condensarse en océanos)
  • 3800 m.a.a.: se ha encontrado carbono de probable origen orgánico
  • 3500 m.a.a.: bacterias fósiles
  • Ergo, fue relativamente rápido: la vida apareció poco después de que la Tierra se enfrió lo suficiente.

Origen

  • ¿De dónde salió la materia prima?
  • Miller & Urey, 1953: simularon condiciones de la atmósfera primitiva y aplicaron chispas eléctricas.
  • Obtuvieron azúcares, lípidos, y 13 tipos de aminoácidos.
  • Experimentos posteriores han obtenido también ácidos nucléicos (y más aminoácidos, y polipéptidos, y ATP, etc.).

Origen

  • Otros ingredientes de la sopa pudieron llegar desde el espacio (cada vez se detectan más compuestos orgánicos en polvo interestelar).
  • Un requisito para la interacción es que los materiales se hayan acumulado; esto pudo ser sobre la arcilla de la costa, o en el fondo marino.
  • Se ha hablado de “pizza primitiva” (o “sandwich”), pensando en acumulación casi bidimensional.

Origen

  • Algunos piensan (e.g., Stuart Kauffman) que con una química suficientemente rica, es casi inevitable que se forme una red autocatalítica de reacciones (algo así como autopoiesis, pero sin frontera).
  • "We propose that the only absolute requirements [for life] are a thermodynamic disequilibrium and temperatures consistent with chemical bonding.“
  • Steven A. Benner et al. , Curr. Op. in Chem. Biol., 2004

Origen

  • La existencia de compartimientos es importante, no sólo para cumplir con la “frontera” de Varela, sino también para permitir competencia (Darwin!), y para tener (proto)células.
  • Una idea es que la pizza fue sobre arcilla. La arcilla pudo proveer:
    • una superficie de acumulación
    • compartimentación
    • capacidad catalítica

Origen

  • Los lípidos forman espontáneamente “proto-células”, capaces de:
    • absorber material circundante
    • crecer
    • fisionarse
  • Además, se parecen a las membranas celulares actuales
  • pudieron proveer gratis las primeras membranas.
  • Posibles mecanismos sobran; el problema es más bien decidir cuál fue el que se dio. Y demostrar que funciona.

RNA World

  • La visión más popular hoy en día:
  • “RNA World”.
  • En 1982 Thomas Cech descubrió que el RNA puede actuar como catalizador.
  • Hoy se conocen numerosas “ribozimas”, incluido el propio ribosoma (la fábrica de proteínas en las células).
  • Por lo tanto, el huevo pudo “poner huevos”. Catalizar y además transmitir información.
  • X

RNA World

  • Un “mundo de RNA” habría precedido al del DNA y las proteínas.
  • Los vestigios estarían a la vista en el tRNA, el ribosoma, las ribozimas.
  • Es poco probable que haya sido una sola molécula autorreplicadora. Más bien un colectivo.
  • Se ha hecho evolución de RNA en laboratorios, buscando autocatálisis. Cualquier día de estos...

Código genético

  • Una herramienta de investigación, pero a la vez tema (y discutido), es el origen del código genético. En él podría estar escrita la historia de la maquinaria fundamental.
  • ¿De dónde salió? Principales ideas:
  • “Accidente congelado” (no habría motivo)
  • Relaciones estereoquímicas (entre aminoácidos y codones)
  • Selección entre códigos (sería óptimo, bajo algún criterio)
  • Desarrollo progresivo a partir de un código más simple.
  • ...o combinaciones.

Origen

  • ¿Y después, qué?
  •  evolución!
  • “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution” Theodosius Dobzhansky

Especies y taxonomía

  • La evolución generó el “árbol de la vida”, el árbol familiar que incluye que incluye a todos los seres vivos del planeta.
  • Las hojas de ese árbol son las especies.
  • Definir “especie” es menos trivial de lo que parece; el criterio básico lo enunció Cuvier (~1800) y es:
    • grupo de organismos capaces de reproducirse entre si y tener descendencia fértil.

Especies y taxonomía

  • Eso tiene problemas:
    • Fósiles
    • Casos límite
    • Organismos asexuados (por ejemplo, bacterias)
  • Se han propuesto otras definiciones y el tema sigue activo (es otro de esos temas).
  • Ver http://scienceblogs.com/evolvingthoughts/2006/10/a_list_of_26_species_concepts.php
  • para 26 definiciones alternativas.

Especies y taxonomía

  • A las especies se las agrupa (clásicamente) en géneros, familias, órdenes, clases, phylums, reinos...
  • Durante siglos se usaron características comunes (esqueleto, mecanismos reproductivos, etc.) para clasificar.

Taxonomía e historia de la vida

  • Después de Darwin (que postula que existe ascendencia común), y más aún después de la biología molecular (que lo confirma), se busca que la clasificación refleje el “árbol familiar”.
  • Lo propone formalmente Julian Huxley en 1940 (“La Nueva Sistemática”).

Taxonomía e historia de la vida

  • La “cladística” busca que todas las categorías taxonómicas (“taxones”) correspondan a “ramas” del árbol.
  • Se llama “clado” (clade) al conjunto de una especie ancestral y todos sus descendientes. También se llama a eso un grupo monofilético.
  • Hay más de una forma de no cumplir eso:
  • Los reptiles son “parafiléticos”
  • Los vertebrados de sangre caliente son “polifiléticos”

Taxonomía e historia de la vida

  • Había que incluir a los seres unicelulares. Se les dividió en “moneras” y “protistas”, de acuerdo a su nivel de organización celular (monera es lo que hoy llamamos procariota).

Taxonomía e historia de la vida

  • “Monera” (procariotas)
  • Protistas (más tarde se agregó a las algas)

Taxonomía e historia de la vida

  • hongos
  • plantas
  • animales

Taxonomía e historia de la vida

  • El esquema de cinco reinos sigue apareciendo en los textos escolares.
  • Y el orden evolutivo se vería algo así 

Taxonomía e historia de la vida

  • Sin embargo, en los años 70 Carl Woese notó que las diferencias entre cierto grupo de bacterias (Archaea) y las demás (Bacteria) eran demasiadas. Pese a mucha oposición, se aceptó la idea durante los ’80. Surgió la clasificación de tres “dominios” (1990).

Taxonomía e historia de la vida

  • Se pensó que eran más primitivas que las bacterias (por eso “archaea”), pero pronto se puso en duda: en muchos genes (en particular rRNA, más confiable) se parecen más a los eucariotas que a las bacterias.
  • Las arqueas suelen ser “extremófilas”: demasiado calor, frío, PH, sal, etc... (aunque también se pueden encontrar en lugares más hospitalarios). Muchas son anaeróbicas (el oxigeno las mata).

Taxonomía e historia de la vida

  • Se pensó entonces en esto...
  • (con cierta discusión sobre quién queda más cerca de la raíz)
  • (y por ende “procariota” es sólo descriptivo, no es un clado)

Taxonomía e historia de la vida

  • Con la salvedad de que los eucariotas han tomado “prestadas” células procariotas que antes eran independientes.
  • (Lynn Margulisteoría endosimbiótica, 1966.
  • Rechazada por 15 revistas).

Taxonomía e historia de la vida

  • Los virus. ¿Dónde calzan en la historia?
  • Alguna vez se pensó que eran “bacterias degradadas” (que habían ido perdiendo partes hasta quedarse con lo esencial para infectar).

Taxonomía e historia de la vida

  • Luego, “DNA (o RNA) fugitivo”: genes saltarines que aprendieron trucos extras. Los retroviruses (que se copian en el genoma infectado) son casi un caso límite; no difieren mucho de los transposons propios del genoma.
  • Pero también puede que estén dando vueltas desde el mundo del RNA: serían descendientes de RNA que nunca entró a una “sociedad celular”.
  • ...Pero como esto es biología, la respuesta puede ser “todas las anteriores”.

Taxonomía e historia de la vida

  • La cosa se complica aún más por culpa de la transferencia horizontal de genes: genes “saltarines”.
  • Se sabe que hoy ocurre mucho entre bacterias, e incluso entre animales, plantas, etc..
  • En los viejos tiempos, debió ocurrir mucho más.
  • Así que los análisis que comparan genes, nos dan la historia familiar del gen, no de las especies!

Taxonomía e historia de la vida

  • !

Taxonomía e historia de la vida

  • Nótese que la figura pone abajo una “comunidad ancestral de células primitivas”.
  • Esto es un cambio respecto a lo tradicional, que ponía a LUCA (el hipotético “Last Universal Common Ancestor”).

Taxonomía e historia de la vida

  • Es la propuesta de Carl Woese (PNAS, 2002, “On the evolution of cells”):
  • Sólo a partir de cierto nivel de complejidad empezó a dominar la herencia “vertical” (por reproducción) y comenzó el “interludio darwiniano”.
  • Arqueas, bacterias y eucariotas habrían salido de ahí en distintos momentos.
  • Al principio la transferencia horizontal era el principal mecanismo de evolución.



Compartir con tus amigos:


La base de datos está protegida por derechos de autor ©absta.info 2019
enviar mensaje

    Página principal