Conceptos Clave de Biología: Evolución, Ecología y Cambio Climático

Taxonomía y Jerarquía Taxonómica

La taxonomía es la rama de la biología que se encarga de nombrar y clasificar los organismos. La jerarquía taxonómica se organiza de la siguiente manera:

• Dominio: Bacteria, Eukarya, Archaea
• Reino: Animalia, Plantae, Fungi, Protista
• Filo: Chordata, Arthropoda, Mollusca
• Clase: Mammalia, Insecta, Cephalopoda
• Orden: Primates, Coleoptera, Decapoda
• Familia: Hominidae, Scarabaeidae, Canidae
• Género: Homo, Canis, Drosophila
• Especie: Homo sapiens, Canis lupus, Drosophila melanogaster

¿Qué es una Especie?

Una especie es un grupo de organismos con apariencia similar que son capaces de reproducirse entre sí y dejar descendencia fértil.

Diferencias entre Archaea y Bacteria

• Archaea: No forma esporas, no son patógenas.
• Bacteria: Algunas forman esporas, sí son patógenas.

Clasificación de los Seres Vivos

Virus

Los virus no son seres vivos, puesto que ni siquiera son células. Se componen de una molécula de ADN o ARN envuelta por una cubierta proteica.

Protistas

Los protistas no son procariotas, ni plantas, ni animales, ni hongos. Son diversos en todo.

Plantas

Las plantas tienen embrión multicelular, son verdes y hacen fotosíntesis. Se dividen en:

• Plantas no vasculares: hepáticas, musgos.
• Plantas vasculares: helechos, gimnospermas, angiospermas.

Hongos

Los hongos poseen un cuerpo filamentoso formado por hifas. Todos son heterótrofos y se reproducen por esporas. Predomina la reproducción asexual. Se dividen en:

• Quitridiomicetes
• Zigomicetes
• Glomeromicetes
• Basidiomicetes
• Ascomicetes

Animalia

Los animales (Animalia) son multicelulares, carecen de pared celular, son heterótrofos y se reproducen sexualmente. Sus principales filos son:

• Poríferos: Esponjas
• Cnidarios: Medusas, pólipos, anémonas
• Platelmintos: Gusanos planos
• Anélidos: Gusanos segmentados
• Moluscos: Caracoles, almejas, pulpos
• Artrópodos: Insectos, arañas, crustáceos
• Nemátodos: Gusanos redondos
• Equinodermos: Erizos y estrellas de mar
• Cordados: Vertebrados y no vertebrados

Cambio Climático

Problema: La concentración de Gases de Efecto Invernadero (GEI) está directamente relacionada con la temperatura del planeta. A mayor concentración, mayor temperatura. Esta concentración ha aumentado rápidamente a partir de la revolución industrial. El CO2 es el gas más abundante en la atmósfera.

Conceptos relacionados: Atmósfera, Efecto invernadero, Erosión de playas.

Impactos en la Biodiversidad

Migración o extinción de especies.

Posibles Impactos en la Biodiversidad de Costa Rica

• Aves:
  • Zonas altas: mayor temperatura, menor hábitat.
  • Zonas bajas: menor hábitat, especies de zonas bajas están comenzando a subir.
• Reptiles y anfibios: La temperatura afecta procesos fisiológicos, cambios en los patrones de lluvia.
• Mamíferos: Cambios fenológicos, zonas altas más amenazadas.
• Árboles: Con el aumento de temperatura, aumenta la liberación de CO2 y disminuye la productividad primaria neta.
• Ecosistemas costeros: Erosión de vegetación ribereña, arrecifes sensibles al aumento de temperatura y acidificación del océano.
• Peces: Migran a zonas más frescas.

Acidificación de los Océanos

El mar absorbe CO2, causando un cambio en el pH del mar que afecta la cadena alimenticia.

Mitos del Cambio Climático

• No es real.
• Es parte del ciclo natural.
• Los cambios se deben al ciclo y las manchas solares.
• El CO2 es menos del 1% de la atmósfera, por eso no puede generar tanto problema.
• Los modelos climáticos no son fiables.
• Gracias a nuestra inteligencia, seremos capaces de adaptarnos al cambio climático.

Ecología Humana y Cambio Climático

Crecimiento Poblacional

Conceptos clave: Potencial biótico, Resistencia ambiental, Fluctuaciones.

Desde hace unos 150 años, la población de seres humanos crece exponencialmente debido a: Fuego, Agricultura, Revolución industrial, Revolución científica.

El ser humano ha superado la resistencia ambiental.

Impacto Humano en los Ecosistemas

Cacería, Sobreexplotación de recursos, Pérdida de hábitat, Tráfico de especies, Especies introducidas, Desertificación, Lluvia ácida, Amplificación biológica, Plástico, Reducción de la capa de ozono.

Ecología de Poblaciones

Crecimiento Poblacional

Todas las poblaciones pueden aumentar fácilmente, pero depende de la natalidad, mortalidad y migración.

Potencial biótico: es el índice máximo de crecimiento que puede experimentar una población en condiciones ideales. Se ve limitado por la resistencia ambiental (límites impuestos por el ambiente biótico y abiótico, como depredación, competencia, espacio).

Produce un crecimiento exponencial si no es restringido por algún factor.

Factores que Afectan el Potencial Biótico de una Especie

1. La edad promedio a la cual se reproducen por primera vez.
2. La frecuencia reproductiva promedio.
3. El número de descendientes promedio.
4. La duración promedio de la edad reproductiva.
5. El índice promedio de mortalidad.

Resistencia Ambiental

• Factores independientes de la densidad: Clima, Contaminación, Degradación del hábitat.
• Factores dependientes de la densidad: Depredación, Parasitismo, Competencia.

Depredación y Competencia

• Depredación: Regula el tamaño de la población.
• Competencia: Ayuda a controlar poblaciones. Puede ser interespecífica (entre miembros de diferentes especies) o intraespecífica (entre miembros de la misma especie).

Patrones Poblacionales en Espacio y Tiempo

• Distribución espacial: Aleatoria, Uniforme, Agrupada.
• Patrón temporal: Relacionado con los patrones de mortalidad de cada especie. Tipos:
  • Mortalidad temprana (tipo III)
  • Mortalidad constante (tipo II)
  • Mortalidad tardía (tipo I)

Interacciones entre Especies

Nicho Ecológico

Está determinado por todos los aspectos del estilo de vida del organismo, incluidos el hábitat y las interacciones con el medio biótico y abiótico. Es único para cada especie.

Elementos del Nicho Ecológico

Hábitat, Depredadores, Comportamientos, Factores ambientales físicos (pH, temperatura, humedad).

Depredación

En la naturaleza, la interacción entre depredadores y presas ha generado adaptaciones coevolucionistas.

• Camuflaje: Se mezclan con su entorno para pasar desapercibidos.
• Aposematismo: Llaman la atención con sus colores que advierten peligro, aunque no sean peligrosos.
• Mimetismo:
  • Mimetismo Mulleriano: Especies peligrosas comparten señales de advertencia similares.
  • Mimetismo Batesiano: Una especie inofensiva imita la apariencia o el comportamiento de una especie peligrosa.
• Quimiotoxicidad: Tienen veneno.

Simbiosis

Interacción entre dos especies por un periodo prolongado. Mientras una de las especies siempre se beneficia, para la otra la relación puede ser beneficiosa, perjudicial o neutra.

• Parasitismo: Una especie vive sobre o dentro de otra. El hospedero se ve afectado, aunque no muere de inmediato.
• Comensalismo: Una de las especies se beneficia sin afectar a la otra. Ejemplo: las aves que se alimentan de los insectos que son molestados por el ganado.
• Mutualismo: Ambas especies se benefician de la relación. Ejemplo: micorrizas.

Sucesión

Cambio gradual en las comunidades y su ambiente abiótico a través del tiempo.

Ecología

Ciencia que estudia las interrelaciones de los organismos bióticos con otros organismos abióticos.

Niveles Ecológicos

• Ecosistema: Pueden ser tan pequeños como un charco o tan grandes como un mar. Están constituidos por comunidades de poblaciones que interactúan entre sí y con el medio.
• Comunidad: Posee riqueza de especies, es decir, el número de especies que posee.
• Población: Consiste en todos los miembros de una especie que viven en una región determinada.

Biomas Terrestres

Grandes extensiones de tierra con condiciones ambientales y comunidades de vegetación similares.

• Bosques tropicales: 25-30 °C. 6% de la superficie terrestre. El bioma terrestre con mayor biodiversidad. Jaguares, colibríes, orquídeas.
• Sabana: Predomina la vegetación de pastos con árboles dispersos y matorrales. Hasta 8 meses secos. Mayor diversidad de mamíferos.
• Desiertos: 1/3 o más de la superficie terrestre del planeta. Entre los 20-30° de latitud. Grandes áreas de tierra desnuda. Animales adaptados a sobrevivir con poca agua.
• Chaparral: Regiones costeras que rodean a los desiertos. Lluvia en cantidades parecidas al desierto, pero con mayor duración. Vegetación achaparrada.
• Pastizales: Regiones templadas, al centro de los continentes. También llamados praderas. Los pastos soportan grandes periodos de sequías. El pasto fertiliza el suelo.
• Bosques templados: Presenta inviernos fríos con heladas fuertes con periodos prolongados de temperaturas bajo cero. Oso negro, venados, lobos, linces, pumas.
• Bosques de coníferas: Los inviernos son más largos y fríos que en bosques templados. Las hojas de los árboles son como agujas cerosas. Zorros, liebres y venados.
• Tundra: Último bioma antes del polo norte. Hasta -55° C. Lobos, búhos, zorra del ártico.

Biomas Acuáticos

Cubren el 71% de la superficie del planeta. La intensidad de luz disminuye con la profundidad. Los nutrimentos tienden a concentrarse cerca de los sedimentos del suelo.

• Lagos: Varían en tamaño, profundidad y contenido de nutrientes. Pueden ser oligotróficos (sin nutrimentos) o eutróficos (con nutrimentos). Ecosistemas transitorios. Ocurre el fenómeno de la sucesión.
• Manglares: Bosques de especies halófitas como el mangle rojo en zonas costeras tropicales. Gran cantidad de sedimentación.
• Mar abierto: La mayor parte de la vida está limitada a la zona fótica superior, en la cual se hallan las formas de vida pelágicas.
• Arrecifes de coral: Aguas tibias tropicales. Los esqueletos de carbonato de calcio de los Cnidarios forman el arrecife, junto con algas. El ecosistema acuático con mayor biodiversidad.

Comportamiento Animal

Toda respuesta coordinada de un individuo por acción de un estímulo. Todo comportamiento es producto de las interacciones entre el genotipo y el ambiente. Las hormonas se encargan de estimular ciertas funciones celulares.

Tipos de Comportamiento

Comportamiento Innato

Comportamiento que exhiben los organismos sin poseer experiencia a los estímulos (es algo que traen los organismos desde que nacen).

Tipos de Comportamiento Innato

• Cinesis: Ocurre cuando el organismo cambia la velocidad de sus movimientos al azar en respuesta a un estímulo en el medio.
• Tactismo: Es el movimiento de alejamiento o acercamiento en relación a un estímulo.
• Reflejo: Es un movimiento instintivo de una parte del cuerpo, es rápido y estereotipado.
• Patrones de comportamiento fijo: Son conductas innatas complejas.

Comportamiento Aprendido

Comportamiento que los organismos ejecutan luego de acumular experiencias.

Tipos de Comportamiento Aprendido

• Impronta: Comportamiento relacionado con el aprendizaje de información crucial en las primeras etapas del desarrollo. Ejemplo: Aprender a reconocer quién es la madre (patos, Konrad Lorenz).
• Condicionamiento clásico: Comportamiento en el cual los organismos asocian “X” estímulo con “Y” respuesta, aun cuando “Y” no dependa de “X”. Ejemplo: Perros de Pavlov (comida, saliva, campana).
• Condicionamiento operativo: Un animal aprende a asociar una actividad voluntaria con sus consecuencias. Ejemplo: Un entrenador le da una golosina a un perro cuando se sienta cuando se lo ordena. Esto enseña al perro a asociar la conducta de sentarse con la golosina.
• Habituación: Un animal aprende a no responder a una situación si la respuesta no tiene consecuencias positivas o negativas. Ejemplo: Las palomas no se espantan de ver personas porque ya saben que las personas no le van a hacer daño.
• Aprendizaje latente: Tiene que ver con la capacidad de los animales de “dibujar” y recordar un mapa mental de una región particular a partir de puntos de referencia locales. Ejemplo: La migración de aves.
• Aprendizaje por comprensión: Capacidad de ciertos animales de resolver problemas sencillos sin haber tenido una experiencia previa. Ejemplo: El pájaro que quita el mecate de la comida.

Comportamiento Adaptativo

Comportamiento que promueve la propagación de los genes del individuo.

Éxito Reproductivo

Número de descendientes sobrevivientes que produce el individuo.

Comportamiento Social

Interacciones interdependientes entre los individuos de las especies.

• Comportamiento egoísta: Dentro de una población, cualquier comportamiento de un individuo que favorezca sus propias posibilidades sin importar las consecuencias que tenga para los demás.
• Comportamiento altruista: Cuando un individuo se “autosacrifica”, esto es, sus actos benefician a otros, pero disminuyen sus propias probabilidades de producir descendientes.

Comunicación

Producción de una señal por un organismo que causa que otro cambie su comportamiento.

Componentes en la Comunicación

• Señalizador: Individuo que envía la señal.
• Receptor: Individuo que recibe la señal.

Tipos de Señales

Señales Visuales

• Activas: Un movimiento transmite el mensaje.
• Pasivas: La forma del animal brinda información relacionada con el sexo y estado reproductivo.

Ventajas: Instantánea, silenciosa. Desventajas: Limitadas a distancias cercanas, no sirven en la oscuridad.

Comunicación Química

A través de feromonas.

Ventajas: Necesitan poca energía, persiste en el tiempo. Desventajas: Es menor la cantidad de información que se puede transmitir, no se puede regular la intensidad del mensaje.

Comunicación Sonora

Ventajas: Casi instantánea, no se requiere estar cerca. Desventajas: Los demás individuos escuchan el mensaje también.

Comunicación Táctil

Ventajas: establece lazos sociales entre miembros de un grupo.

Exhibición de Comunicación

Aquel patrón de comportamiento que sirve como señal social. Ejemplos: Exhibiciones amenazantes, Exhibiciones de cortejo, Exhibiciones táctiles.

Selección Sexual

Proceso por el cual la selección natural favorece los rasgos de comportamiento que dan al individuo ventajas reproductivas. Los organismos del mismo sexo deben competir por el acceso a una pareja del sexo opuesto. Ejemplos: Rituales de lucha, defensa de territorio, combates.

Paternidad

Muchas especies invierten tiempo y energía en proteger a las crías hasta que se puedan defender. Esto se hace para que los descendientes sobrevivan de fijo.

Grupos Sociales

Especies viven en grupos de miles de individuos (hormigas). Estos grupos pueden estar compuestos por organismos emparentados o no.

• Prevención cooperativa antidepredadores: Los individuos de ciertas especies se agrupan para disminuir el chance de ser depredados.
• Manada egoísta: Los individuos se agrupan en busca del beneficio individual.
• Jerarquías de dominación: En las agrupaciones egoístas se ven las jerarquías de dominación.
• Selección indirecta: Beneficia indirectamente a un individuo al aumentar la supervivencia o reproducción de sus parientes. No actúa directamente sobre el rasgo en sí, sino sobre los individuos que lo poseen.

Origen del Universo

Teoría del Big Bang: hace 15 mil millones de años se formó el universo. Hace 5 mil millones de años se formó el sistema solar.

Síntesis de Compuestos Orgánicos

La energía solar expulsada de la corteza favoreció la formación de moléculas orgánicas.

Experimento de Stanley Miller

En menos de una semana se formaron aminoácidos y otros compuestos orgánicos pequeños.

Las Primeras Células Vivas

Origen de los Agentes del Metabolismo

Primeros 600 millones de años las enzimas, el ATP y compuestos orgánicos se ensamblaron en sitios en común.

Origen de los Sistemas Autoduplicantes

ARN que actúa como enzima, capaz de autoduplicarse.

Surgimiento del ADN

No se conocen.

Origen de las Membranas Plasmáticas

Combinación de aminoácidos y glicerol se forman lípidos con cola larga tienen sacos con agua, similares a las membranas.

Origen de las Células Procariontes

En el eón arcaico, hace 3 mil millones de años.

Primeros Organismos Fotosintéticos

Hace 3.5 mil millones de años, fueron las primeras en practicar la vía cíclica de la fotosíntesis usando la energía solar.

Origen de la Atmósfera

En el eón proterozoico surgió la vía no cíclica de la fotosíntesis.

Origen de las Células Eucariontes

En el proterozoico, presencia de organelos.

Teoría y Evidencia de la Endosimbiosis

Surgen asociaciones accidentales entre diversas especies de procariontes que dieron lugar a las células eucariontes. Los cloroplastos podrían ser descendientes de bacterias fotosintéticas productoras de oxígeno.

Los cloroplastos se asemejan a algunas eubacterias en su metabolismo.

Primeros Eucariontes

Las primeras células eucariontes fueron protistas.

Eras Geológicas

Una era es un periodo extremadamente largo (millones de años). Eras: Paleozoica, Mesozoica y Cenozoica (parte del Eón Fanerozoico). Son subdivisiones de los eones. Eón: Es cada uno de los periodos en que se considera dividida la historia de la Tierra desde el punto de vista geológico.

Desarrollo del Pensamiento Evolutivo

• Griegos creen en dioses.
• Platón y Aristóteles hacen la Scala Naturae (el humano es lo top).
• Cadena del ser, primero el ser espiritual y después el humano.
• Hipótesis del creacionismo: todas las formas de vida fueron creadas por un ser supremo.
• El mundo antes era Europa, con las exploraciones marítimas se conocen nuevas formas de vida. Surgió la biogeografía, semejanzas y diferencias entre especies que viven lejos.
• Los fósiles para estimar la edad de la Tierra.
• Morfología comparativa: estudio de las semejanzas y diferencias en los planes corporales de los organismos.

Teoría Darwiniana

Cuvier: catastrofismo (hipótesis de las catástrofes que destruyeron especies y se repoblaba la tierra (dinosaurios)).

Lamarck: herencia de características adquiridas (jirafas).

El viaje del Beagle: Darwin recolectó información de especies en sus paradas en el viaje durante 5 años.

Observación 1. Las poblaciones de todos los organismos tienen el potencial de aumentar.

Observación 2. Los tamaños poblacionales tienden a permanecer constantes en el tiempo.

Conclusión 1. Hay competencia por la supervivencia y la reproducción.

Observación 3. Los miembros individuales de una población difieren en su habilidad para obtener recursos.

Conclusión 2. Los individuos mejor adaptados dejarán más crías. Es selección natural: Proceso por el cual el ambiente selecciona a aquellos individuos cuyas características los adaptan mejor para un ambiente dado.

Observación 4. La variación en las características de adaptación se debe a diferencias genéticas.

Conclusión 3. La reproducción diferencial entre los individuos con genética diferente cambia la composición de la población.

Evidencias de la Evolución

Registro fósil, Anatomía comparada, Embriología comparada, Bioquímica, Genética.

Mecanismos de la Evolución

Evolución y Genética de poblaciones. Genes + Ambiente = fenotipos de los individuos. Los individuos no son los que evolucionan, sino las poblaciones. Acervo genético = variabilidad genética total. Si en una población no ocurriera evolución, sería un equilibrio Hardy-Weinberg.

Ley de Hardy-Weinberg

Para que se cumpla la Ley de H-W:

1. No debe haber mutación.
2. No debe haber flujo de genes.
3. La población deber ser muy grande.
4. Todos los apareamientos deben ser al azar.
5. No debe haber selección natural.

Importante

1. La selección natural no causa cambios genéticos en los individuos.
2. La selección natural sucede en los individuos, pero en la evolución ocurre en las poblaciones.
3. La evolución es el cambio en la frecuencia de genes que ocurre en una población a través del tiempo.
4. Los cambios evolutivos simplemente son.

Ejemplos de Selección Natural

Direccional, Disruptiva, Estabilizadora.