Principios de la Biofísica
INTRODUCCIÓN A LA BIOFÍSICA; GENERALIDADES.
FENÓMENOS BIOFÍSICOS MOLECULARES
La Biofísica es una
sub-disciplina de la Biología que estudia los principios físicos subyacentes a
todos los procesos de los sistemas vivientes. La biofísica es una
ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados
en la naturaleza tienen una explicación científica predecible.
Si nosotros no podemos explicar algunos
fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación
científica, sino que nosotros aún no tenemos los implementos necesarios para
estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables.
La vida es una función de estado que
depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (principios microfísicos)
y determinísticos a nivel macroscópico (principios macrofísicos).
RAMAS DE LA BIOFÍSICA
Las ramas de la biofísica son las
siguientes:
BIOMECÁNICA
Estudia la mecánica del movimiento en los
seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el
equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de
prótesis móviles, etc.
BIOELECTRICIDAD
Estudia los procesos electromagnéticos y
electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes así como también los
efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes;
por ejemplo, la transmisión de los impulsos neuroeléctricos, el intercambio
iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad
(anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina,
etc.
BIOENERGÉTICA
Termodinámica biológica: Se dedica al
estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas
vivientes; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la
transferencia de energía desde y hacia el entorno del biosistema, el
almacenamiento de energía en la célula, etc.
BIOACÚSTICA
Investiga y aplica la transmisión,
captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas.
BIOFOTÓNICA
Estudia las interacciones de los
biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis,
etc.
RADIOBIOLOGÍA
Estudia los efectos biológicos de la radiación
ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de
campo y de laboratorio.
LA FORMACIÓN DEL UNIVERSO Y EL ORIGEN DE LA
VIDA
ORIGEN DEL UNIVERSO.
El Universo se originó hace 13700 mil millones de años en una gran explosión del espacio. Toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo es decir los Quark que se combinan conjuntamente para formar las partículas subatómicas. Después de la explosión, el espacio se expande y se enfría permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias, y planetas a partir de partículas elementales. Los científicos intentan explicar el origen del Universo con diversas teorías, apoyadas en observaciones y unos cálculos matemáticos coherentes. Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan entre sí.
El Universo se originó hace 13700 mil millones de años en una gran explosión del espacio. Toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo es decir los Quark que se combinan conjuntamente para formar las partículas subatómicas. Después de la explosión, el espacio se expande y se enfría permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias, y planetas a partir de partículas elementales. Los científicos intentan explicar el origen del Universo con diversas teorías, apoyadas en observaciones y unos cálculos matemáticos coherentes. Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan entre sí.
La teoría del Big Bang consiste
en que el universo con una temperatura muy elevada, en un momento dado explotó
comenzando a expandirse, una gran cantidad de energía y materia separando todo,
hasta ahora. Antes que se forme la materia y los átomos existían partículas
pequeñas en el cual se confinaron y formaron los
electrones, neutrinos, fotones (luz) y algunos
pocos neutrones y protones. El universo es como una sopa densa
de partículas elementales que se van creando en pares partícula-antipartícula.
Por ejemplo un par electrón-positrón se puede formar a partir de un fotón que
tenga la energía suficiente. La temperatura era muy alta y por esta razón
no existía la materia como la conocemos hoy. El universo después del Big
Bang, comenzó a enfriarse y a expandirse, este enfriamiento produjo que
tanta energía comenzará a estabilizarse. Los protones y
los neutrones se "crearon" y se estabilizaron cuando el universo
tenía una temperatura de 100.000 millones de grados, aproximadamente una
centésima de segundo después del inicio Lo primero en aparecer fue
el núcleo del deuterio, casi catorce segundos después, cuando la
temperatura de 3.000 millones de grados permitía a los neutrones y protones
permanecer juntos. Para cuando estos núcleos podían ser estables, el universo
necesitó de algo más de tres minutos, cuando esa bola incandescente se había
enfriado a unos 1.000 millones de grados. Esta teoría sobre el origen del
Universo se basa en observaciones rigurosas y es matemáticamente correcta desde
un instante después de la explosión, pero no tiene una explicación para el
momento cero del origen del Universo, llamado "singularidad".
La teoría inflacionaria, o teoría de la
inflación cósmica, continúa con el modelo de la expansión cósmica propuesto por
la teoría del Big Bang y, en este caso, su objetivo es dar una solución al
problema del horizonte. El problema del horizonte es como se conoce en astronomía
el problema planteado por la distribución homogénea de materia en el espacio
cósmico. Según los modelos teóricos, todo parece indicar que esta realidad es
un hecho poco probable pero que, de facto, así es. La teoría inflacionaria, que
en realidad son un conjunto de teorías relacionadas entre sí, aportan la
solución a este problema, demostrando que es una posibilidad perfectamente
real.
Una de las teorías del universo más
llamativas que podemos encontrar es la teoría del estado estacionario. Esta
teoría sostiene que el universo es una entidad perfecta y que, a pesar de estar
en expansión, esta perfección (entendida como una proporción de densidad
constante) no varía gracias a la creación constante de materia (aproximadamente
un protón por cada kilómetro cúbico que el universo crece). De este modo, la
visión del cosmos por parte de un observador externo sería estacionaria o
constante, ya que el universo siempre tendría el mismo valor desde una relación
de densidad y espacio-tiempo.
La teoría del universo oscilante propone
un universo cambiante en procesos cíclicos. Estos procesos cíclicos estarían
compuestos por un Big Bang, seguido de una expansión que terminaría finalmente
en un Big Crunch, que daría a su vez un nuevo Big Bang y el universo comenzaría
de nuevo. Se trata de una teoría que, actualmente, la mayor parte de los
astrónomos han descartado, aunque todavía continúa siendo una teoría bastante
discutida.
El origen de la vida en la Tierra se
produjo a través de un largo proceso, hace más de 2700 millones de años. La
teoría más extendida sugiere que se formó en el medio marino, a partir de
una «sopa prebiótica» de compuestos orgánicos que pudieron formarse en dichas condiciones, evolucionando y
consiguiendo con el paso del tiempo un mayor grado de auto
organización. También existen teorías creacionistas, que parten de la
hipótesis de la existencia de alguna potencia inteligente capaz de generar la
vida, y otras teorías que involucran algún tipo de origen extraterrestre.
El creacionismo es un sistema de
creencias que postula que el universo, la tierra y la vida en la tierra fueron
deliberadamente creados por un ser inteligente. Es decir fueron
creados por Dios en un acto de creación único.
También conocida como autogénesis
sostenía que podía surgir vida compleja, animal y vegetal, de forma espontánea
a partir de la materia inerte. La generación espontánea antiguamente era
una creencia profundamente arraigada descrita ya por Aristóteles. La
observación superficial indicaba que surgían gusanos del fango, moscas de la
carne podrida, organismos de los lugares húmedos, etc. Así, la idea de que la
vida se estaba originando continuamente a partir de esos restos de materia
orgánica. En 1952, Miller refuto esta teoría e hizo circular agua, amoníaco,
metano e hidrógeno a través de una descarga eléctrica y obtuvo Glicina y
Alamina, dos aminoácidos simples. Años después, Abelsohn, hizo la misma
experiencia, pero empleando moléculas que contenían átomos de carbono, oxígeno
y nitrógeno, y, en su experimento, Weyschaff, aplicó rayos ultravioletas. Ambos
obtuvieron los aminoácidos que forman las estructuras de las proteínas. El
francés Pasteur fue quien acabó con la teoría de la generación espontánea. Ideó
un recipiente con cuello de cisne, es decir, doblado en forma
de S. Puso en el receptáculo pan y agua; hizo hervir el agua, y
esperó. El líquido permaneció estéril. Los seres vivos se crearon de la materia
inerte. Francisco Redi: las larvas de la carne provienen de los huevos de las
mosca. Lázaro Spallanzani: los microorganismos se transportaban a través del
air. Louis Pasteur: en el aire hay artos microorganismos que hacen la
descomposición.
El coacervado es un glóbulo formado de una
membrana que tiene en su interior sustancias químicas; a medida que aumenta su
complejidad, el coacervado se separa del agua formando una unidad
independiente, que sin embargo interactúa con su entorno. Oparín fue el
propulsor de esta teoría, en un principio las sustancias proteicas se hallaban
disueltas en una solución más tarde comenzaron a agruparse entre sí formando
moléculas, que se separaron de la solución a manera de pequeñas gotas que
flotaban en el agua (los coacervados). Los coacervados absorbían de la solución
acuosa circundante diferentes sustancias orgánicas, aumentando su tamaño y
peso, su estructura interna se desarrolló más rápido en unas, se fue
modificando y perfeccionando en el transcurso de los años, (las de estructura
más sencilla morían) organizándose así los seres vivos más sencillos. Se supone
que tuvo que haber intervenido un proceso de selección natural en donde uno de
ellos debió poseer.
TEORÍA PANSPERMIA.
La vida se ha generado en el espacio
exterior y viaja de unos planetas a otros, y de unos sistemas solares a otros.
El filósofo griego Anaxágoras (siglo VI a.C.) fue el primero que propuso un
origen cósmico para la vida, pero fue a partir del siglo XIX cuando esta
hipótesis cobró auge, debido a los análisis realizados a los meteoritos, que
demostraban la existencia de materia orgánica, como hidrocarburos, ácidos
grasos, aminoácidos y ácidos nucleicos. La panspermia puede ser de 2
tipos:
- PANSPERMIA INTERESTELAR: Es el intercambio de formas de vida que se
produce entre sistemas planetarios.
- PANSPERMIA INTERPLANETARIA: Es el intercambio de formas de vida que se produce entre planetas pertenecientes al mismo sistema planetario.
- PANSPERMIA INTERPLANETARIA: Es el intercambio de formas de vida que se produce entre planetas pertenecientes al mismo sistema planetario.
En conclusión la vida se originó fuera de
nuestro planeta.
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Las evidencias del proceso evolutivo son
el conjunto de pruebas que los científicos han reunido para demostrar que la
evolución es un proceso característico de la materia viva y que todos los
organismos que viven en la Tierra descienden de un ancestro común. Las especies
actuales son un estado en el proceso evolutivo, y su riqueza relativa es el
producto de una larga serie de eventos de especiación y de extinción.
La existencia de un ancestro común puede deducirse a partir de características simples de los organismos. Primero, existe evidencia proveniente de la biogeografía. El estudio de las áreas de distribución de las especies muestra que cuanto más alejadas o aisladas están dos áreas geográficas más diferentes son las especies que las ocupan, aunque ambas áreas tengan condiciones ecológicas similares (como el ártico y la Antártida, o la región mediterránea y California). Segundo, la diversidad de la vida sobre la Tierra no se resuelve en un conjunto de organismos completamente únicos, sino que los mismos comparten una gran cantidad de similitudes morfológicas.
La existencia de un ancestro común puede deducirse a partir de características simples de los organismos. Primero, existe evidencia proveniente de la biogeografía. El estudio de las áreas de distribución de las especies muestra que cuanto más alejadas o aisladas están dos áreas geográficas más diferentes son las especies que las ocupan, aunque ambas áreas tengan condiciones ecológicas similares (como el ártico y la Antártida, o la región mediterránea y California). Segundo, la diversidad de la vida sobre la Tierra no se resuelve en un conjunto de organismos completamente únicos, sino que los mismos comparten una gran cantidad de similitudes morfológicas.
Teoría de la selección natural.
Constituye la gran aportación de Charles
Darwin (e, independientemente, por Alfred Russel Wallace), fue posteriormente
reformulada en la actual teoría de la evolución, la Síntesis moderna. En
Biología evolutiva se la suele considerar la principal causa del origen de las
especies y de su adaptación al medio.
La selección natural es un fenómeno esencial de la evolución con carácter de ley general y que se define como la reproducción diferencial de los genotipos en el seno de una población biológica. La formulación clásica de la selección natural establece que las condiciones de un medio ambiente favorecen o dificultan, es decir, seleccionan la reproducción de los organismos vivos según sean sus peculiaridades. La selección natural fue propuesta por Darwin como medio para explicar la evolución biológica. Esta explicación parte de dos premisas; la primera de ellas afirma que entre los descendientes de un organismo hay una variación ciega (no aleatoria), no determinista, que es en parte heredable. La segunda premisa sostiene que esta variabilidad puede dar lugar a diferencias de supervivencia y de éxito reproductor, haciendo que algunas características de nueva aparición se puedan extender en la población. La acumulación de estos cambios a lo largo de las generaciones produciría todos los fenómenos evolutivos.
La selección natural es un fenómeno esencial de la evolución con carácter de ley general y que se define como la reproducción diferencial de los genotipos en el seno de una población biológica. La formulación clásica de la selección natural establece que las condiciones de un medio ambiente favorecen o dificultan, es decir, seleccionan la reproducción de los organismos vivos según sean sus peculiaridades. La selección natural fue propuesta por Darwin como medio para explicar la evolución biológica. Esta explicación parte de dos premisas; la primera de ellas afirma que entre los descendientes de un organismo hay una variación ciega (no aleatoria), no determinista, que es en parte heredable. La segunda premisa sostiene que esta variabilidad puede dar lugar a diferencias de supervivencia y de éxito reproductor, haciendo que algunas características de nueva aparición se puedan extender en la población. La acumulación de estos cambios a lo largo de las generaciones produciría todos los fenómenos evolutivos.
REFERENCIAS
BIBLIOGRAFICAS
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