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CARACTERISTÍCAS DE LOS SERES VIVOS

Los seres vivos están formados por moléculas que, analizadas individualmente, se rigen según lo establecido en las leyes de la física y de la química. Sin embargo, los organismos presentan además una serie de propiedades extraordinarias que dificultan el definir el concepto de Vida. Durante la Edad Media, las características de la vida se explicaban por medio de una “fuerza vital”, misteriosa y divina; era la doctrina del vitalismo. La ciencia actual define la vida de forma indirecta, es decir, explicando los procesos vitales más importantes que se producen en los seres vivos y que los distinguen del medio inanimado. De este modo se considera ser vivo todo aquel que realiza las 3 funciones siguientes:

a) Reproducción: es la capacidad de los seres vivos para producir copias de sí mismos, es decir, generar nuevos seres similares a sus progenitores. La importancia de esta función reside en la limitada duración de la vida de los organismos y la necesidad de que la misma se perpetúe en el tiempo. Esta función se localiza en la secuencia de unidades básicas correspondientes a una o varias moléculas de ácidos nucleicos, principalmente ADN, que constituyen la información genética.

b) Nutrición: es la capacidad de los seres vivos para extraer y transformar la energía del medio, construyendo y manteniendo con ella sus propias estructuras y realizando sus funciones vitales. Este proceso implica un crecimiento y un desarrollo y requiere dos fases que se engloban bajo la denominación de metabolismo: una fase en la que se incorporan las sustancias con las que el ser vivo construye sus propias moléculas, llamada anabolismo, y otra fase en la que se destruye parte de los productos obtenidos en la fase anterior y se utiliza la energía liberada para mantener las funciones vitales; esta última se denomina catabolismo.

c) Relación o sensibilidad: permite a los seres vivos recibir estímulos y reaccionar frente a ellos. Es muy importante porque facilita la realización de las funciones anteriores.

Estos tres procesos pueden observarse sin dificultad en bacterias, plantas y animales; sin embargo no son tan fáciles de apreciar en los virus ya que no poseen metabolismo propio y necesitan de otro ser vivo que les permita reproducirse. Sin embargo no son materia inanimada ya que las moléculas que encierran en su interior poseen la información necesaria para obtener copias de sí mismos. Por ello se dice que los virus están en la frontera entre lo vivo y lo inerte, es decir, en la frontera de la vida.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS

Las características que presentan los seres vivos permiten pensar en la existencia de varios niveles de organización con diversos grados de complejidad estructural que van más allá de la simple unión de sus componentes moleculares. Para facilitar su estudio se dividen estos niveles en 5 grandes grupos. En muchos casos es difícil establecer una correspondencia exacta entre un nivel y los seres vivos correspondientes.

a) Nivel molecular: las partículas subatómicas (neutrones, protones y electrones) forman los átomos. A su vez la unión de dos o más átomos mediante enlaces químicos forma las moléculas que son la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades. A las moléculas que forman parte de los seres vivos se les denomina biomoléculas (ej. aminoácidos). Las macromoléculas son el resultado de la unión de distintas moléculas (ej. proteínas, formadas por la unión de miles de aminoácidos). La unión de varias macromoléculas da lugar a las asociaciones macromoleculares (ej.1: complejos multienzimáticos, formados por la unión de varios enzimas, es decir, un tipo particular de proteínas; ej.2: membranas celulares, formadas por la unión de proteínas y fosfolípidos). Estas asociaciones macromoleculares se asocian para formar los orgánulos celulares (ej. mitocondrias y cloroplastos, formados ambos por dobles membranas celulares y complejos multienzimáticos, entre otras cosas).

Este nivel molecular de organización también se denomina nivel abiótico, debido a que engloba únicamente materia inanimada. Ningún ser vivo pertenece a este nivel. Excepcionalmente algunos autores incluyen en él a los virus bajo la consideración de que son complejos supramoleculares (en realidad están compuestos únicamente por proteínas y una molécula de ácido nucleico de un solo tipo). Los restantes 4 niveles son bióticos puesto que es en ellos donde se encuentran los seres vivos.

b) Nivel celular: una agregación compleja de distintos orgánulos forma una célula. A este nivel pertenecen todas las células, ya sean procarióticas o eucarióticas.

c) Nivel orgánico: Las células que poseen existencia propia independiente y las que se agrupan con otras células forman los organismos, en el primer caso son unicelulares y en el segundo son pluricelulares. En estos últimos tiene lugar una división del trabajo entre las distintas células que lo forman y una diferenciación celular. Esto da lugar a la formación de tejidos, éstos se reúnen para formar órganos y un conjunto de varios órganos que actúen de forma coordinada para desempeñar una determinada función forman un aparato.

d) Nivel de población: los seres vivos no viven aislados sino que se relacionan entre ellos. Esto trae consigo la aparición de un nivel superior de organización dentro de la materia viva que es el de población (conjunto de individuos de la misma especie que viven en la misma zona geográfica en un determinado período de tiempo).

e) Nivel de ecosistema: las distintas poblaciones que habitan en una misma zona forman una comunidad o biocenosis. Las condiciones y características de esa zona forman un biotopo. El conjunto formado por la biocenosis, el biotopo y las relaciones que se establecen entre ellos forman un ecosistema. Los factores climáticos delimitan zonas de vegetación similar que a su vez condiciona la existencia de una fauna concreta, repitiéndose dichas zonas en áreas muy extensas de la Tierra que reciben el nombre de biomas. El conjunto de todos los biomas terrestres forma la Biosfera, es decir, la capa de la Tierra habitada por seres vivos y, por tanto, el nivel de organización más amplio.

EL ORIGEN DE LOS SISTEMAS VIVOS

En 1953, Miller (Universidad de Chicago) realizó un experimento en el que reprodujo, en un matraz cerrado, la composición de la atmósfera primitiva (hace 4.000 m.a.) tal y como la describían los geofísicos de la época, y al hacer saltar en la mezcla unas descargas eléctricas, que harían las veces de radiaciones solares y cósmicas de los comienzos de la Tierra, obtuvo una solución acuosa de sustancias orgánicas entre las que había algunos aminoácidos sencillos.

Este experimento fue una confirmación parcial de la hipótesis de Oparin de 1938 sobre el origen de la materia orgánica en el planeta. Según esta hipótesis, hace unos 3500 m.a. la Atmósfera de la Tierra estaba formada fundamentalmente por metano, amoniaco y vapor de agua. Estas moléculas sencillas, excitadas por radiaciones solares y descargas eléctricas se fueron condensando y diversificando, dando lugar a gran variedad de moléculas orgánicas, las cuales al enfriarse la Tierra, fueron arrastradas por torrenciales lluvias hasta el océano

El primitivo océano estaba formado por masas de agua caliente donde se iban acumulando gran cantidad de estas moléculas orgánicas. A todo este medio se le conoce como caldo primitivo. Su temperatura favorecía las reacciones entre las moléculas que, al unirse, iban adquiriendo un mayor grado de complejidad y tamaño. Todas estas moléculas se fueron asociando formando agregados heterogéneos que Oparin denominó coacervados. Estos coacervados estaban provistos de una envuelta que al mismo tiempo que les separaba del medio, les permitía tomar de él nuevas moléculas orgánicas. Los coacervados no sólo eran capaces de nutrirse, sino que también se duplicaban dando lugar a otros. En consecuencia, se pueden considerar a estos coacervados las primeras formas de Vida. Toda esta etapa de la evolución de los seres vivos recibe el nombre de abiótica, puesto que no se puede considerar aun a los coacervados como seres vivos. La etapa posterior de evolución a partir de auténticas células se llama ya evolución biótica.

Al margen de la hipótesis de Oparin, la Ciencia actual está muy lejos de aclarar los procesos que originaron la vida, aunque se está investigando sobre el tema.

BIOELEMENTOS Y PRINCIPIOS INMEDIATOS INORGÁNICOS

BIOELEMENTOS

El análisis químico de la materia viva pone de manifiesto que en su composición se encuentran una serie de elementos llamados bioelementos o elementos biogénicos. Ninguno de ellos es propio y exclusivo de la materia viva ya que forman parte también, de la materia mineral, de tal manera que sólo un número relativamente reducido de los elementos que se encuentran en la naturaleza entra a formar parte de la materia viva. Los principales elementos biogénicos son cuatro: C, H, O y N. Estos 4 elementos forman parte de la materia viva en un porcentaje muy superior a los restantes gracias a poseer dos propiedades fundamentales:

Tener un peso atómico bajo: C=12, H=1, O=16 y N=14. Esto les permite formar combinaciones por un lado muy complejas y por otro inestables, lo cual resulta muy útil para el continuo construir y destruir de materia a que se ven sometidos los seres vivos por su metabolismo. Estos 4 elementos son además muy solubles en agua, circunstancia favorable para ser incorporados al ser vivo o eliminados de él.
Abundan en las capas más externas de la Tierra, es decir, atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las que se hallan más en contacto con los seres vivos. Esta propiedad es importante ya que los seres vivos necesitan formarse con elementos que puedan conseguir con facilidad, es decir, que abunden en la naturaleza para poder disponer de ellos en cualquier momento.
Un detalle importante respecto al C y al N es que, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado oxidado (CO₂, NO₃H) al reducido (CH₄, NH₃).

Además de estos 4 bioelementos, en la materia viva se encuentran otros en menor cantidad; son los llamados bioelementos secundarios: S, P, K, Na, Ca, Mg y Cl.

La proporción en que se encuentra un elemento biogénico no está en relación con su importancia biológica pues algunos de ellos entran a formar parte de la materia viva en cantidades insignificantes y sin embargo desempeñan papeles de gran trascendencia, de tal manera que su carencia provoca serios trastornos porque son indispensables para que los fenómenos vitales se desarrollen con normalidad. A estos elementos se les denomina oligoelementos y entre ellos pueden citarse:

Hierro (Fe): Forma parte de la hemoglobina, pigmento rojo de la sangre de los Vertebrados. También forma parte de los citocromos. El Fe apenas se elimina del organismo y es utilizado varias veces cuando se destruyen los compuestos de que forma parte y por ello sus necesidades alimenticias son mínimas. No obstante, su escasez o carencia produce anemia.
Cobre (Cu): Forma parte de la hemocianina, pigmento rojo de la sangre de los Invertebrados, de papel semejante a la hemoglobina.
Manganeso (Mn): Es básico para que las plantas verdes puedan sintetizar la clorofila. Actúa además como catalizador de muchas reacciones metabólicas.
Cinc (Zn): También importante como catalizador.
Yodo (I): Elemento básico para la formación de la tiroxina, hormona producida por la glándula tiroides cuya deficiencia origina la enfermedad llamada bocio.
Cobalto (Co): necesario para sintetizar la vitamina B12.

Los elementos biogénicos rara vez se encuentran en estado libre. En general, se combinan entre sí para formar sustancias compuestas definidas. Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos como la disolución, la filtración, la destilación, la centrifugación, etc. constituyen los llamados principios inmediatos. Pueden ser inorgánicos (agua y sales minerales) u orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos).

AGUA: PROPIEDADES E IMPORTANCIA BIOLOGICA

La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en los seres no acuáticos el medio interno es básicamente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen las leyes fisicoquímicas de las disoluciones acuosas. Por todo ello no es de extrañar que el agua sea el principal componente de los seres vivos en cuanto a su cantidad. El cuerpo humano, por ej., está formado por término medio por un 75% de agua, aunque los tejidos que necesitan mucha actividad como el nervioso son agua en un 90%. Sólo los tejidos esqueléticos y las semillas de las plantas presentan una baja proporción de agua.

El agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la Biosfera. En cuanto a sus propiedades fisicoquímicas cabe destacar:

La molécula de agua tiene un marcado carácter dipolar. Aunque tiene una carga total neutra (posee el mismo número de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones: alrededor del O se concentra una densidad de carga negativa (^-) debido a que es un elemento mucho más electronegativo que el H, por ello los núcleos de H quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva (⁺). Este carácter dipolar de la molécula de agua es de trascendental importancia y tiene múltiples consecuencias: La más relevante es que se pueden establecer interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua formando uniones electrostáticas llamadas puentes o enlaces de H: la carga parcial negativa del O de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de H de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 3 moléculas unidas por puentes de H permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas. Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta
El amplio margen de temperaturas en que permanece en fase líquida (0º-100º) proporciona variadas posibilidades de vida, desde los organismos psicrófilos que pueden desarrollarse a temperaturas próximas a 0º, hasta los termófilos que viven a 70º-80º
La anómala variación de la densidad con la temperatura, con una densidad máxima a 4ºC, determina que el hielo flote en el agua líquida actuando como aislante térmico y, en consecuencia, posibilitando el mantenimiento de la gran masa de agua de los océanos en fase líquida albergando a la mayor parte de la Biosfera.

El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal). Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de H, además de con otras moléculas de agua como se dijo anteriormente, con otras sustancias polares (grupos -OH de alcoholes y azúcares, grupos -NH₂ de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.), pues se disuelven cuando interaccionan con las moléculas del agua.

El agua posee un elevado calor específico. Se denomina calor específico a la capacidad de almacenar energía para un aumento determinado de la temperatura: el agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente. Del mismo modo, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura. Además, el calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.
El agua posee una elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Los puentes de H mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Gracias a esta propiedad algunos seres vivos utilizan el agua como esqueleto hidrostático.
El agua posee una elevada fuerza de adhesión. Esta fuerza está también en relación con los puentes de H que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión, del llamado fenómeno de la capilaridad, es decir, el ascenso de agua a través de las paredes de un capilar (delgado tubo de vidrio).

Los seres vivos van renovando continuamente su contenido en agua, ingiriéndola con la alimentación y perdiéndola con la respiración como vapor y con la excreción (orina, sudor, etc.)

SALES MINERALES: PROPIEDADES E IMPORTANCIA BIOLÓGICA

En todos los seres vivos, animales y vegetales, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales. Se clasifican en función de su solubilidad en agua. Las sustancias salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén y que están muy extendidas en todos los seres vivos. Los Crustáceos y los Moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CO₃Ca) mientras que en la Diatomeas son de sílice (SiO₂). El esqueleto interno de los Vertebrados presenta una parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo carbonato y fosfato cálcico [(PO₄)₂Ca₃]. Además, el esmalte de los dientes presenta fluoruro cálcico (F₂Ca).

En cuanto a las sales minerales solubles en agua, éstas se encuentran disociadas en sus iones correspondientes, que son los responsables de su actividad biológica. Los principales iones son:

Cationes: Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ y amonio (NH₄⁺).

Aniones: Cl^-, fosfatos (PO₄^3-, PO₄H₂^-, PO₄H₂^-), sulfato (SO₄^2-), nitrato (NO₃^-) y carbonatos (CO₃^2-, CO₃H^-).

Los iones minerales realizan múltiples funciones en el organismo, destacando las siguientes:

Regulación de los fenómenos osmóticos: cuando dos disoluciones salinas de distinta concentración se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (llamada así porque permite el paso de agua pero no de los iones disueltos en ella) las dos disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como los iones no pueden atravesar la membrana, es el agua de la disolución más diluida la que va pasando a la más concentrada. Este trasiego de agua cesa cuando ambas disoluciones adquieren la misma concentración. La disolución más concentrada recibe el nombre de hipertónica respecto a la menos concentrada que es la hipotónica; en el momento del equilibrio se dice que las dos disoluciones son isotónicas. Este fenómeno se conoce con el nombre de ósmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera una presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de las dos disoluciones. Los seres vivos mantienen en sus células una presión osmótica constante gracias a las sales minerales, fenómeno llamado homoósmia, y son muy sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos. Por esta razón toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas celulares se comportan como semipermeables. Existen dos ejemplos típicos que demuestran la importancia de los fenómenos osmóticos en el mantenimiento de la integridad celular:

Las células vegetales poseen una gran vacuola que comprime el citoplasma contra la pared celular. Al ponerlas en contacto con una solución salina hipertónica respecto del líquido de la vacuola, el agua de ésta fluye hacia el exterior de la célula y, como consecuencia, la vacuola se reduce de tamaño arrastrando al citoplasma, que puede llegar a separarse de la pared celular. Este fenómeno se denomina plasmólisis. Por el contrario, si la solución que se pone en contacto con la célula es hipotónica, la corriente de agua se establece hacia el interior, comprimiendo el citoplasma contra la pared celular. Este caso se llama turgencia.
Repitiendo la misma experiencia con glóbulos rojos, como éstos carecen de pared celular vegetal, al ponerlos en contacto con una solución hipertónica, disminuyen de volumen y se arrugan al salir agua al exterior. Si los ponemos en contacto con una solución hipotónica, el agua pasa al interior y el glóbulo rojo se dilata, pudiendo llegar a estallar rompiéndose su membrana. Este caso extremo se llama hemolisis.

Regulación del equilibrio ácido-base: En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H⁺) y de iones hidroxilo (OH^-) que proceden de:

La disociación del agua que proporciona los dos iones:

H₂O --------H⁺ + OH^-

La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan

H⁺ : ClH ------ Cl^- + H⁺

La disociación de cuerpos con función básica que proporcionan

OH^-:NaOH --------- Na⁺ + OH^-

Los hidrogeniones tienen carácter ácido, mientras que los hidroxiliones lo tienen alcalino. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será neutro cuando [H⁺]=[OH^-], ácido cuando [H⁺]>[OH^-] y alcalino cuando [H⁺]<[OH^-]. Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H+, que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima a la neutralidad, es decir, pH=7. Sin embargo, en las reacciones que tienen lugar durante el metabolismo se están liberando productos tanto ácidos como básicos que tenderán a variar dicha neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que se oponen automáticamente a las variaciones de pH. Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón, y en ellos intervienen de forma fundamental las sales minerales. Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el lado ácido por lo que los sistemas tampón más importantes actúan evitando este desplazamiento. Un tampón está formado por una mezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido; el más extendido es el formado por el ácido carbónico (CO₃H₂) y el bicarbonato sódico (CO₃HNa). Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente:

La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:

CO₃HNa + ClH --------- NaCl + CO₃H₂

La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina.

El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO₂, que se libera con la respiración, y agua que es neutra: