Biología, la ciencia de la vida

1.2. Biología, ciencia y tecnología

A través de toda su historia, la humanidad ha modificado la naturaleza en un intento de sobrevivir y mejorar sus condiciones de vida.

Desde la edad de piedra hasta la actualidad, la humanidad ha pasado del garrote y el fuego a la energía nuclear, de arrojar una lanza a poner en órbita satélites espaciales con el mismo principio, de rayar huesos de lobo para registrar números a hacer agujeritos en discos compactos en el sistema binario de computadoras, de tener acceso a la galería de pinturas rupestres por la entrada de una cueva a visitar esa misma galería por Internet, de observar puntos de luz en el cielo nocturno a explorar hoyos negros ahí mismo, y de sanar heridas con hierbas húmedas al desarrollo de fármacos, el trasplante de órganos, la reparación de genes y la creación de un ser humano virtual para investigación médica.

Ha sido un proceso milenario, cuya abstracción está en el significado de dos conceptos fundamentales:

  • Ciencia es la investigación sistemática de la naturaleza para obtener conocimiento verdadero, en armonía con la razón, experimentalmente verificable. Es también el acervo de conocimiento producido por esa investigación.
  • Tecnología es el conjunto de todos los medios que la humanidad ha utilizado para modificar la naturaleza. En la actualidad, es ciencia aplicada.

Las matemáticas son el lenguaje formal de la ciencia y la tecnología. La física, la química y la biología estudian a la naturaleza, y en conjunto se denominan ciencias naturales.

La biología es la ciencia de la vida. Etimológicamente, el término proviene de los vocablos griegos bios, vida; y logos, explicación racional.

1.3. El campo de estudio de la biología

Originalmente no fue necesaria una definición de vida para que artistas ancestrales seleccionaran pintar el mamut, el oso, el búho y otros animales en la cueva, ni para que civilizaciones antiguas sembraran trigo, algodón, uva y otros vegetales. Ancestralmente, sin mayor conocimiento que aquel obtenido por la observación y la experiencia, cierta característica compartida por animales y vegetales, pero no por las piedras, se denominó “vida”.

Desde la Antigüedad, la esencia de la vida permaneció siendo un misterio. Así fue hasta el siglo xx, cuando la ciencia finalmente pudo ofrecer una explicación racional del concepto. En la asombrosa biodiversidad superior a 10 millones de especies en el planeta, hay estructuras y procesos comunes a todas ellas que son las bases moleculares de la vida… Más allá de las diferencias externas, hay una estrecha semejanza interna de estructura y función entre una rosa y un ser humano o cualquier otro ser vivo.

La vida es el estado de actividad de un organismo, constituido por al menos una célula, cuya función está controlada por un programa genético, y sustentada por energía para mantener y reproducir su organización.

Así, todos los seres vivos poseen en común al menos este conjunto básico de cuatro características:

1. Están constituidos por al menos una célula.

2. Utilizan energía para mantener y reproducir su organización.

3. Poseen una estructura compleja altamente organizada.

4. Su función está controlada por un programa genético.

Este conjunto básico soporta características adicionales como crecimiento, desarrollo, homeostasis, capacidad de respuesta a estímulos, capacidad evolutiva y otras.

En consecuencia, la comprensión plena del concepto de vida depende del conocimiento previo y la integración de temas fundamentales de biología, como:

  • Niveles de organización de la materia
  • Biología molecular
  • Biología celular
  • Bioenergética
  • Bases moleculares de la expresión genética
  • Evolución
  • Biodiversidad
  • Ecología

El campo de estudio de la biología es la naturaleza, específicamente a nivel de los seres vivos. En el contexto de la biología contemporánea, la investigación en esta disciplina se extiende desde las tradicionales botánica y zoología hasta las fronteras de la ciencia y la tecnología, en donde recientemente han surgido especialidades biológicas como la bioinformática.

1.4. Relación de la biología con otras disciplinas

La biología ha sido construida sobre las matemáticas, la física y la química. La clasificación taxonómica trabaja con conjuntos. El número e surgió del crecimiento exponencial. El ciclo celular es una sucesión de fases. Los patrones de herencia mendeliana son algebraicos. Un electrocardiograma se describe con geometría analítica. La estadística es elemental en ecología. El potencial de membrana se explica con ecuaciones diferenciales. El análisis dinámico de genes apagados (0) y genes encendidos (1) se procesa con base en el sistema binario. La biología es intensamente matemática. El cuerpo humano está constituido por cerca de 100 billones de células. El cerebro humano está formado por aproximadamente 1 millón de columnas neocorticales, y cada una de éstas contiene cerca de 10 mil neuronas y 30 millones de sinapsis.

La biología es un área que genera cantidades enormes de datos, muchos más de los que es posible procesar y analizar, por aplicación de metodologías de alto producto total en experimentos automatizados. La genómica, la bioinformática, la proteómica y la biología de sistemas son especialidades de reciente surgimiento. La luz solar es la fuente final de energía para todas las formas de vida en la Tierra. El cloroplasto transforma la energía luminosa en un gradiente de protones, y luego en energía química que cualquier organismo puede procesar. Los cambios de estado subyacen al ciclo del agua. La gravedad orienta el crecimiento de raíces y tallos, causa el peso de los organismos, la caída de hojas, frutos, lluvia… Las propiedades eléctricas de los aminoácidos son determinantes en la conformación y la función de las proteínas. La vida media de radioisótopos se utiliza para determinar la antigüedad de fósiles y estratos rocosos.

La física es un fundamento de la biología. Los elementos que constituyen una célula son esencialmente hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio, fósforo, cloro, potasio, azufre… El metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones químicas de síntesis y degradación que ocurren en la célula. El ATP es la molécula portadora de energía en la célula. El ADN es la molécula portadora de la información genética. La expresión genética se refiere a todos los procesos por los cuales una célula convierte información genética en proteínas. La química es otro fundamento de la biología.

Cada año, millones de mariposas Monarca migran desde Canadá y Estados Unidos de América a los bosques de coníferas de Michoacán, México, en donde la temperatura es cercana a 0 ºC en invierno. Estos tres países tienen en común poseer extensos bosques de coníferas, los cuales están adaptados a climas fríos. La atmósfera, la litosfera y la hidrosfera son fuentes abundantes de los elementos que constituyen a la célula. Los fósiles comúnmente son descubiertos en rocas sedimentarias, las cuales se forman por acumulación y compactación de materiales provenientes de la erosión de otras rocas.


Santuario de la Mariposa Monarca en Michoacán

La biología tiene también una relación estrecha con la geografía. La contaminación ambiental es un ejemplo adecuado para mostrar algunas relaciones interdisciplinarias.

Contaminación atmosférica

En la estratosfera, la capa de ozono absorbe la mayor parte de la luz ultravioleta (UV) que llega a la Tierra. Los clorofluorocarbonos (CFC) contaminantes del aire alguna vez fueron usados como propulsores en latas de aerosol, así como fluidos refrigerantes. Los CFC son estables a nivel del suelo, pero altamente reactivos en la estratosfera. Al incidir luz UV en cada molécula de CFC, el cloro se disocia y cataliza la destrucción de la capa de ozono (O3) en reacciones sucesivas que producen oxígeno (O2), las cuales pueden resumirse así: 2 O3 → 3 O2.

Al ser destruida parcialmente la capa de ozono en la estratosfera, una mayor cantidad de luz UV alcanza la superficie terrestre. Los CFC han logrado hacer un agujero del tamaño del círculo polar Antártico en la capa de ozono, y actualmente la siguen adelgazando. La luz UV causa mutaciones y fragmentación del ADN.

Sin la capa de ozono en la estratosfera, no podría haber vida sobre la superficie de la Tierra.

1.5. Biotecnología y sociedad

La estrecha relación entre ciencia, tecnología y sociedad puede analizarse en la sección 1.1. Es destacable que el origen de la humanidad se asocia con la fabricación y el uso de herramientas de piedra, que el desarrollo de tecnología para cazar significó la supervivencia del Homo, y que la biotecnología aplicada a la producción agropecuaria, la industria y la medicina ha fundamentado la alimentación y el cuidado de la salud de una población humana creciente, actualmente estimada en casi 7 mil millones de habitantes.

En la industria, además del desarrollo de fármacos y productos de ingeniería genética, la biotecnología también produce el combustible etanol para autobuses de transporte público en Estocolmo, Londres, París y muchas otras ciudades del mundo que cuidan la calidad del aire.

La biotecnología en la medicina sigue transformando la cultura humana. Por su efecto directo sobre diferentes sociedades, son significativos los avances en el control de la reproducción humana. En Europa, el crecimiento poblacional ha sido controlado. La población recibe educación sexual y tiene acceso a servicios médicos especializados, que van desde métodos anticonceptivos hasta fertilización asistida, con el recurso de bancos de células germinales para resolver problemas actuales o futuros de fertilidad humana.

En contraste, en Asia, África y Latinoamérica, el control biotecnológico de la reproducción humana ha sido inexistente o insuficiente. En consecuencia, la explosión demográfica es actualmente un problema social por la escasez de recursos para satisfacer necesidades humanas básicas de bienes y servicios. La biotecnología ha modificado considerablemente el área médica, creando metodologías para prevenir y curar enfermedades, mejorando la salud y la calidad de vida. Pero también es posible aplicar las mismas técnicas a prácticas médicas como aborto y eutanasia, que son cuestionables para diversos grupos de personas desde un punto de vista ético, moral, religioso, cultural, legal o social. En general, la práctica médica tiene que atender consideraciones bioéticas y de la legislación vigente.

Un cartograma de la población mundial en 2018. (Imagen proporcionada por worldmapper.org )

Al reflexionar la humanidad sobre su propia existencia y planear para el futuro, una expectativa es que la biotecnología pueda extender el tiempo de vida del ser humano en condiciones óptimas de salud.

La vida está controlada por un programa genético. En los límites de la biología contemporánea, los científicos están investigando la regulación de ese programa genético y desarrollando tecnología para controlarlo… tecnología para controlar la vida.


Examen de repaso

1. Es la investigación sistemática de la naturaleza para obtener conocimiento verdadero, en armonía con la razón, experimentalmente verificable.

Es también el acervo de conocimiento producido por esa investigación:

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2. Es el conjunto de todos los medios que la humanidad ha utilizado para modificar la naturaleza:

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3. Su campo de estudio es la naturaleza:

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4. ¿Cuál de las siguientes opciones no es una característica de los seres vivos?

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5. Seleccione la opción que indica la principal disciplina con la cual se relaciona estrechamente la biología, de acuerdo con el contenido del siguiente párrafo:

El mapa completo del genoma humano, constituido por una secuencia de 3 265 041 226 pares de bases, está accesible al público en la base de datos del Wellcome Trust Sanger Institute

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6. Seleccione la opción que indica la principal disciplina con la cual se relaciona estrechamente la biología, de acuerdo con el contenido del siguiente párrafo:

El análisis dinámico de genes apagados (0) y genes encendidos (1) se procesa con base en el sistema binario.

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7. Hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno son los cuatro elementos más abundantes en la célula (98.70 %). Poseen propiedades que los hacen excepcionalmente adecuados para formar moléculas muy diversas y lograr estructuras complejas altamente organizadas que son características de los seres vivos.

Seleccione la opción que indica la principal disciplina con la cual se relaciona estrechamente la biología, de acuerdo con el contenido párrafo anterior:

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8. Cada año, millones de mariposas Monarca migran desde Canadá y Estados Unidos de América a los bosques de coníferas de Michoacán, México, en donde la temperatura es cercana a 0 °C en invierno. Estos tres países tienen en común poseer extensos bosques de coníferas, los cuales están adaptados a climas fríos.

Seleccione la opción que indica la principal disciplina con la cual se relaciona estrechamente la biología, de acuerdo con el contenido del párrafo anterior:

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9. Seleccione la opción que indica la principal disciplina con la cual se relaciona estrechamente la biología, de acuerdo con el contenido del siguiente párrafo:

La luz solar con longitud de onda de 700 nanómetros es absorbida con mayor eficiencia por el fotosistema I del cloroplasto.

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10. Son biotecnología ancestral que actualmente sigue sustentando la alimentación de una población humana creciente:

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11. En Europa, el crecimiento poblacional ha sido controlado. La población recibe educación sexual y tiene acceso a servicios médicos especializados, que van desde métodos anticonceptivos hasta la fertilización asistida, con el recurso de bancos de células germinales para resolver problemas actuales o futuros de fertilidad humana. La biotecnología ha elevado la calidad de vida de la población. En contraste, en Asia, África y Latinoamérica, el control biotecnológico de la reproducción humana ha sido inexistente o insuficiente. En consecuencia, la explosión demográfica es actualmente un problema social por la escasez de recursos para satisfacer necesidades humanas básicas de bienes y servicios.

Seleccione la opción que indica exactamente el tema de los dos párrafos anteriores:

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12. Complete el siguiente párrafo para construir un enunciado verdadero:

Los átomos que forman el cuerpo humano son más antiguos que el Sistema solar, la __________________ que tienen para constituir esa estructura viva es sólo temporal.

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