(Ciencias de Joseleg)( Biología)( Introducción
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se estudian las ciencias de la vida)(La
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de los seres vivos)(Referencias
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Al igual que otros animales, las hormigas tienen estructuras y mecanismos que los defienden del ataque (Youtube: Hormigas lanzando ácido fórmico). Las hormigas de madera viven en colonias de cientos o miles, y la colonia en su conjunto tiene una forma particularmente efectiva de tratar con los enemigos. Cuando se les amenaza desde arriba, las hormigas lanzan descargas de ácido fórmico al aire desde su abdomen, y el ácido bombardea al depredador potencial, como un ave hambrienta. El ácido fórmico es producido por muchas especies de hormigas y de hecho toma su nombre de la palabra latina para hormiga, formica. Para muchas especies de hormigas, el ácido fórmico no se dispara, sirve como un desinfectante que protege a las hormigas contra parásitos microbianos. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los productos químicos juegan un papel importante en la comunicación de insectos, la atracción de compañeros y la defensa contra los depredadores.
Figura 20. Hormigas defendiendo su
colonia. El ácido fórmico es el más simple de los ácidos orgánicos,
formalmente lo llamamos ácido metanoico, y es entre otras
producido en el hígado cuando consumimos alcohol adulterado, es tóxico ya sea
por contacto, pero es mortal al ingerirse o crearse en el hígado.
La investigación sobre hormigas y otros insectos es un buen
ejemplo de cuán relevante es la química para el estudio de la vida. A
diferencia de los cursos universitarios y de bachillerato, la naturaleza no
está cuidadosamente empaquetada en las ciencias individuales: biología,
química, física, etc. Los biólogos se especializan en el estudio de la vida,
pero los organismos y sus entornos son sistemas naturales a los que se aplican
los conceptos de química, biología y física. La biología es multidisciplinaria.
Ahora, dado que los seres vivos son sistemas físico-químicos, es conveniente
dar una mirada al modo en que entendemos dichos sistemas.
Mientras estudias ahora
mismo, todo lo que te rodea, incluidos tu escritorio y tu computadora, está
hecho de materia. La materia se puede definir como cualquier cosa que existe en
el espacio-tiempo, ya sea la materia que ocupa espacio y tiene masa, los campos
que generan atracciones o repulsiones y la radiación electromagnética como la
luz. La materia puede existir como un sólido, líquido, gas o plasma. Los
organismos vivos, como nosotros mismos, y las cosas no vivas, como el aire que
respiramos, están hechos de materia. Toda la materia está compuesta de
elementos. Un elemento es una sustancia material que no puede descomponerse en
otras sustancias por medios químicos ordinarios. Solo hay 92 elementos
naturales y cada uno de estos se diferencia de los demás en sus propiedades
químicas o físicas, como densidad, solubilidad, punto de fusión y reactividad,
siendo la mayoría metales de color gris como la plata o el hierro.
Si bien todos los elementos están presentes en la Tierra, la
proporción de cada elemento difiere entre los organismos vivos y las cosas no
vivas. Cuatro elementos -carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno- constituyen
aproximadamente el 96% del peso corporal de la mayoría de los organismos,
siendo estos no-metales. Desde formas de vida sencillas y unicelulares hasta
plantas y animales multicelulares complejos todos están hechos principalmente
de estos cuatro elementos. Otros elementos, como el fósforo, el calcio y el
azufre, también se pueden encontrar en abundancia en los organismos vivos.
Varios elementos, incluidos minerales como el zinc y el cromo, se encuentran a
niveles muy bajos o de trazas. Independientemente de su abundancia y función en
organismos vivos, los elementos básicos de cada elemento comparten algunas
características comunes.
La teoría atómica
establece que los elementos consisten en pequeñas partículas llamadas átomos. Como cada elemento consta de un solo tipo de
átomo, se le da el mismo nombre a un elemento y sus átomos. Este nombre está
representado por una o dos letras, llamadas el símbolo atómico. Por ejemplo, el
símbolo
Entender la estructura de un átomo es algo muy difícil, y
los científicos aun discuten como mejorar nuestra comprensión de ellos, a lo
largo del tiempo se han propuesto imágenes matemáticas y pictóricas que los
representan, siendo conocidos como los modelos atómicos. Los modelos son como mapas de un átomo, que
lo describen con un diverso nivel de exactitud. De lo anterior, tres son los
modelos del átomo empleados comúnmente por los científicos, como esferas, cuyo
tamaño y color didáctico indican la identidad del átomo, siendo este el modelo
de Dalton. Como sistemas solares en miniatura donde los electrones orbitan al
núcleo, como los planetas orbitan al Sol, siendo este el modelo perfeccionado
de Rutherford; y como un conjunto de ecuaciones matemáticas supercomplejas que
es difícil de expresar en una imagen, llamado modelo mecánico-cuántico, que es
el modo en que los físicos-matemáticos entienden al átomo.
Afortunadamente para los propósitos de la biología, no tenemos que lidiar normalmente con el átomo mecánico-cuántico, así que nos enfocaremos en el modelo de Dalton y el modelo de sistema solar también conocido como modelo semi-cuántico o modelo de Bohr. Como mencionamos anteriormente, el modelo de Dalton representa a los átomos como esferas de diferente tamaño y por ende, de diferente masa, los cuales se identifican didácticamente con colores que asignamos los científicos para que los modelos se vean artísticamente hermosos.
Figura 21. Modelo atómico de Bohr
para el helio. Los elementos no son modelos pictóricos sino materiales reales,
Carl Sagan nos lo puede explicar mejor (YouTube).
La Figura 21
muestra la disposición de las partículas subatómicas en un átomo de helio, que
tiene solo dos electrones. El círculo representa la ubicación aproximada de los
electrones en función de su estado de energía, siendo llamado órbita o nivel de
energía.
Sin embargo, los electrones están en un estado constante de
movimiento, por lo que su ubicación estimada a menudo se muestra como una nube
en los modelos cuánticos más modernos. En general, la mayor parte de un átomo
es espacio vacío. De hecho, si pudiéramos dibujar un átomo del tamaño de un
estadio de futbol, el núcleo sería como un chicle en el centro del estadio, y
los electrones serían diminutas motas girando en las gradas superiores. Aunque
el resto del espacio es vacío, la ilusión de solidez es generada por las cargas
electrónicas que generan una fuerza de campo que llena al núcleo e impide que
otros átomos invadan su espacio.
Dado que los átomos son una forma de materia, es de esperar
que cada átomo tenga una cierta masa. En efecto, el número de masa de un átomo
es casi igual a la suma de sus protones y neutrones. Los protones y los
neutrones tienen asignada una unidad de masa cada uno. Los electrones, al ser
materia, tienen masa, pero son tan pequeños que se supone que su masa es cero
en la mayoría de los cálculos. El término masa se usa, en lugar de peso, porque
la masa es constante, pero el peso está asociado con la gravedad y, por lo
tanto, varía según la ubicación de un objeto en el universo. Todos los átomos
de un elemento tienen la misma cantidad de protones.
Esto se llama número atómico del átomo. La cantidad de
protones hace que un átomo sea único y puede usarse para identificar a qué
elemento pertenece el átomo. Como veremos, la cantidad de neutrones puede
variar entre los átomos de un elemento. El promedio de los números de masa para
estos átomos se llama masa atómica, aunque incorrectamente en la mayoría de las
tablas periódicas de mano es referido como el peso atómico.
El número atómico te dice la cantidad de protones con carga
positiva. Si el átomo es eléctricamente neutro, entonces el número atómico
también indica el número de electrones cargados negativamente. Para determinar
la cantidad habitual de neutrones, reste la cantidad de protones de la masa
atómica y esta deberá estar redondeada a sin decimales.
Todos estamos familiarizados con los elementos. El hierro,
el sodio, el oxígeno y el carbono son comunes en nuestras vidas, pero ¿de dónde
se originan? Las reacciones químicas normales no producen elementos. La mayoría
de los elementos más pesados que el hidrógeno, como el hierro, se producen solo
por las intensas reacciones químicas y físicas dentro de las estrellas. Cuando
estas estrellas alcanzan el final de sus vidas, explotan y producen una
supernova.
Las supernovas crean elementos más pesados que el hierro y
los dispersan en el espacio, donde eventualmente están involucrados en la
formación de planetas. El fallecido astrónomo y filósofo Carl Sagan (1934-1996)
con frecuencia se refirió a los humanos como "polvo de estrellas". En
muchos sentidos, nosotros, y todos los demás organismos vivos, estamos formados
por elementos que se originaron dentro de las estrellas o cuando estas
murieron. La única excepción es el hidrógeno, que se formó directamente del caos
primigenio del bigbang, y este elemento sigue siendo el más común en nuestro
universo.
Los isótopos son átomos del mismo elemento que difieren en
el número de neutrones. En otras palabras, los isótopos tienen el mismo número
de protones, pero tienen diferentes números de masa.
En algunos casos, un núcleo con exceso de neutrones es inestable y puede decaer emitiendo radiación. Tal isótopo se dice que es radiactivo. Sin embargo, no todos los isótopos son radiactivos. La radiación emitida por los isótopos radiactivos se puede detectar de varias maneras.
Figura 22. Isótopos del hidrógeno y
el carbono. Los isótopos del hidrógeno son los únicos que tienen nombres
propios: protio el más común, deuterio y tritio. Las cargas eléctricas son las
mismas “número de electrones rotando alrededor del núcleo”, y por eso
pertenecen al mismo elemento, pero difieren en los neutrones y por ende en su
masa (Arriba). Todos los elementos
tienen átomos estables y átomos isotópicos que son inestables y tienden a
convertirse en otros elementos, por ejemplo, el carbono-14 tiende a
transformarse en nitrógeno-14 (Abajo).
La importancia de la química para la biología y la medicina
es en ninguna parte más evidente que en los muchos usos de los isótopos
radiactivos. Por ejemplo, los isótopos radiactivos pueden usarse como
marcadores para detectar cambios moleculares o destruir células anormales o
infecciosas. Dado que tanto los isótopos radiactivos como los isótopos estables
contienen la misma cantidad de electrones y protones, esencialmente se
comportan igual en las reacciones químicas. Por lo tanto, un investigador puede
usar una pequeña cantidad de isótopo radioactivo como marcador para detectar
cómo un grupo de células o un órgano procesan un determinado elemento o
molécula. Por ejemplo, al administrarle a una persona una pequeña cantidad de
yodo radiactivo (yodo-131), es posible determinar si la glándula tiroides está
funcionando adecuadamente. Otro ejemplo es un procedimiento llamado tomografía
por emisión de positrones (PET), que utiliza trazadores para determinar la
actividad comparativa de los tejidos. Un trazador de glucosa marcado
radioactivamente que emite un positrón (una partícula subatómica que es lo
opuesto a un electrón) se inyecta en el cuerpo. Los positrones emiten pequeñas
cantidades de radiación, que pueden ser detectadas por sensores y analizadas
por una computadora. El resultado es una imagen en color que muestra qué
tejidos tomaron glucosa y, por lo tanto, son metabólicamente activos. Se pueden
detectar una serie de afecciones, como tumores, enfermedad de Alzheimer,
epilepsia o accidente cerebrovascular, usando escaneos PET.
Las sustancias radiactivas en el medio ambiente pueden
causar cambios químicos nocivos en las células, dañar el ADN y causar cáncer.
La liberación de partículas radiactivas después de un accidente en una planta
de energía nuclear puede tener efectos de largo alcance y de larga duración en
la salud humana. Por ejemplo, un tsunami del Pacífico en 2011 causó la
liberación de cesio-137 radiactivo de la instalación nuclear de Fukushima. Pero
los efectos de la radiación también pueden aprovecharse. Pueden colocarse
paquetes de isótopos radiactivos en el cuerpo, de modo que las partículas
subatómicas emitidas destruyan solo las células cancerígenas, con poco riesgo
para el resto del cuerpo.
La radiación de isótopos radiactivos se ha utilizado durante
muchos años para esterilizar equipos médicos y dentales. Desde los ataques
terroristas en 2001, el correo que está destinado a la Casa Blanca y las
oficinas del Congreso en Washington, DC, se irradia para proteger contra
agentes biológicos peligrosos, como el ántrax.
Figura 23. Configuraciones de
electrones alrededor del núcleo en el modelo de Bohr. Las órbitas también
se denominan niveles de energía o capas de electrones, y cada capa tiene una
cantidad limitada de cupos para mantener electrones, cuando un nivel se satura
los electrones sobrantes se ubican en la siguiente capa.
La órbita mostrada en la Figura 23
es el nivel energético fundamental del par de electrones del helio, pero a
medida que la energía aumenta, los electrones pueden cambiar de posición a una
órbita de más energía y más alejada del átomo. Sin embargo, en este punto es
donde las cosas se ponen extrañas. La energía que los electrones absorben
generalmente es radiación, y no absorben cualquier radiación, solo radiaciones
de tipos concretos. Los tipos de radiación electromagnética se describen por
medio de la medida de la frecuencia de la onda que compone a la radiación, a
mayor energía, la longitud de la onda es más pequeña, por lo general nuestros
ojos son capaces de captar un leve fragmento de la radiación electromagnética a
la que llamamos luz. Puede decirse que los átomos solo absorben energía de
colores particulares, y los demás simplemente le rebotan, lo cual le da su
color al objeto que componen.
La otra cosa extraña aparte de solo absorben la energía de
colores particulares, es que los electrones no viajan como los cometas, no se
desplazan entre las dos órbitas físicamente, cuando un electrón absorbe la
energía requerida para subir de nivel, entonces desaparece en la nada en el
nivel basal, y reaparece de la nada en el nivel de mayor energía, esto es
conocido como salto cuántico. La cantidad de energía para un salto cuántico, al
igual que el color de la radiación que la transporta es fijo, ni más ni menos,
por ende, se denomina cuanto de energía.
Las órbitas o niveles energéticos también tienen otra
propiedad, solo soportan una cantidad fija de electrones en estado basal de
energía, por lo que cuando los átomos de los elementos se hacen más pesados, y
la cantidad de electrones aumenta, los electrones sobrantes van ocupando
mayores niveles de energía, aun cuando se encuentren en su nivel basal.
Únicamente los electrones del último nivel de energía o capa más externa son
capaces de interactuar con la radiación electromagnética o con otros electrones,
por lo que son los únicos que sirven para los procesos químicos. Dado que son
los electrones de la capa más externa los que valen, se los conoce como
electrones de valencia.
Figura 24. Una reacción es un cambio
de identidad y energía. El óxido de hierro es un material frágil que tiende a fracturarse
y convertirse en granos, por lo general se genera desde afuera hacia adentro de
una masa de hierro metálico, y cuando el óxido llega hasta el centro de la estructura,
se genera una falla catastrófica.
Los electrones de los átomos aislados se encuentran en un
falso estado fundamental, en realidad cuando están aislados, sus electrones
están inestables, por lo que buscan liberar energía, para hacerlo, generalmente
o emiten fotones generando radiación electromagnética en el proceso, o forman
enlaces químicos. Los enlaces químicos son atracciones entre dos o más átomos
del mismo o de diferentes elementos para formar moléculas. Existen varios tipos
de enlaces, aunque en general podemos hablar de tres tipos generales, el enlace
iónico, el enlace covalente y el enlace metálico.
El enlace iónico se caracteriza porque un núcleo con avidez
por electrones captura el electrón de un átomo con poca avidez por electrones,
el electrón con exceso de electrones se hace negativo, y el que le faltan
electrones se hace positivo, y dado que los dos polos son opuestos se atraen
eléctricamente como un imán de polos opuestos.
En este enlace ningún núcleo es lo bastante fuerte como para
atraer los electrones sobre sí mismo todo el tiempo, por lo que los electrones
de valencia quedan ensartados en medio de los dos núcleos formando una entidad
física que los une llamada enlace y que se representa en los modelos químicos
como barras entre los símbolos de los elementos. Si uno de los elementos es un
poco más ávido de electrones que su pareja en el enlace puede atraer
momentáneamente electrones sobre sí mismo en algunos momentos al azar,
haciéndose parcialmente negativo, mientras que su pareja se hace parcialmente
positiva.
En este caso los electrones de valencia se expanden y
combinan en una entidad que rodea a miles de millones de millones de átomos,
haciendo que se comporten como una unidad, además de transmitir fácilmente la
electricidad y el calor.
La electronegatividad representa la avidez por electrones de
un núcleo, y por lo general los elementos no-metálicos son más
electronegativos, y de ellos el más electronegativo es el flúor, y el segundo
más electronegativo es el oxígeno. Los elementos de baja electronegatividad son
los metales. La cantidad de cargas positivas o negativas en un enlace químico
iónico, o la cantidad de enlaces covalentes es determinada por los números de
oxidación, un enlace iónico puede estar determinado por más de una carga
positiva o negativa, mientras que en los enlaces covalentes pueden haber más de
un enlace entre dos núcleos.
Las moléculas pueden ser representadas estructuralmente por
los modelos de los átomos individuales que los componen, pero tal proceso es
poco eficiente, por lo que en su lugar se emplean los símbolos de los elementos
y subíndices para indicar cuántos de esos elementos existen en la molécula. Por
ejemplo, la fórmula molecular del agua es
Observe cómo la fórmula química para la glucosa indica el
tipo y la cantidad de cada elemento que se encuentra en la molécula. Las
fórmulas químicas no indican la disposición de estos elementos. Como veremos
más adelante, a veces son varias estructuras diferentes que pueden formarse
basándose en una fórmula química.
Ecuación química de la fotosíntesis. Izquierda reactivos,
derecha productos, la flecha se llama produce, y lo que está arriba de la
flecha son condiciones físicas o catalizadores.
La reacción química es el proceso en que una sustancia se
combina con otra u otras sustancias, para producir sustancias nuevas y un
cambio de energía. Físicamente el proceso implica la transfiguración de unas
sustancias en otras con propiedades diferentes, como cuando el hierro metálico
que es lustroso y gris brillante se mezcla con el oxígeno del aire para dar
lugar al óxido férrico que es una sustancia opaca roja incapaz de sostenerse
como un metal, tendiendo a derruirse como un polvo terroso al que se le
denomina comúnmente óxido o herrumbre.
Las ecuaciones químicas son los modelos matemáticos que
empleamos para describir a las reacciones químicas en términos de cantidades de
masa y cambios de energía. Un ejemplo es la ecuación química de la fotosíntesis
(Ecuación 1)
aquí a parte de las fórmulas moleculares tenemos numerales grandes a la
izquierda de la fórmula, que indica cuantas moléculas están involucradas en la
reacción, y la flecha que se lee como produce, el produce indica que a la
izquierda las sustancias son reactivos consumidos por la reacción, los átomos
de los reactivos son reorganizados junto con un cambio energético para generar
las sustancias a la derecha de la flecha, que serán los productos. Por lo
anterior en la ecuación de la fotosíntesis tenemos 6 moléculas de agua, y 6
moléculas de dióxido de carbono, que al reaccionar con los componentes de la
planta y la energía del Sol se transmutan en 1 molécula de glucosa y 6 moléculas
de dioxígeno.
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