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La biología (del griego »bios, vida, y »logos, estudio) es una de las ciencias naturales que tiene como objeto de estudio
a los seres vivos y, más específicamente, su origen, su evolución y sus propiedades: génesis, nutrición, morfogénesis, reproducción,
patogenia, etc. Se ocupa tanto de la descripción de las características y los comportamientos de los organismos individuales
como de las especies en su conjunto, así como de la reproducción de los seres vivos y de las interacciones entre ellos y el
entorno. De este modo, se ocupa de la estructura y la dinámica funcional comunes a todos los seres vivos con el fin de establecer
las leyes generales que rigen la vida orgánica y los principios explicativos fundamentales de ésta.
La palabra
«biología» en su sentido moderno parece haber sido introducida independientemente por Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie
oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) y por Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). Generalmente se dice que el
término fue acuñado en 1800 por Karl Friedrich Burdach, aunque se menciona en el título del tercer volumen de Philosophiae
naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, por Michael Christoph Hanov publicado
en 1766.
Campos de estudio
La biología abarca un amplio espectro de campos de estudio que, a menudo,
se tratan como disciplinas independientes. Juntas, estudian la vida en un amplio campo de escalas. La vida se estudia a escala
atómica y molecular en la biología molecular, en la bioquímica y en la genética molecular. Desde el punto de vista celular,
se estudia en la biología celular, y a escala pluricelular se estudia en la fisiología, la anatomía y la histología. La biología
del desarrollo estudia el desarrollo o la ontogenia de un organismo individual.
Ampliando el campo a más de
un organismo, la genética trata el funcionamiento de la herencia genética de los padres a su descendencia. La etología trata
el comportamiento de los grupos, esto es, de más de un individuo. La genética de poblaciones observa una población entera
y la genética sistemática trata los linajes entre especies. Las poblaciones interdependientes y sus hábitats se examinan en
la ecología y la biología evolutiva. Un nuevo campo de estudio es la astrobiología (o xenobiología), que estudia la posibilidad
de la vida más allá de la Tierra.
Las clasificaciones de los seres vivos son muy numerosas. Se proponen desde
la tradicional división en dos reinos establecida por Carlos Linneo en el siglo XVII, entre animales y plantas, hasta las
propuestas actuales de los sistemas cladísticos con tres dominios que comprenden más de 20 reinos.
Historia
de la Biología
Principios de la Biología
A diferencia de la física, la biología no suele describir sistemas
biológicos en términos de objetos que obedecen leyes inmutables descritas por la matemática. No obstante, se caracteriza por
seguir algunos principios y conceptos de gran importancia, entre los que se incluyen la universalidad, la evolución, la diversidad,
la continuidad, la homeóstasis y las interacciones.
Universalidad: bioquímica, células y el código genético
Artículo
principal: Vida
Representación esquemática de la molécula de ADN, la molécula portadora de la información genética.Hay
muchas constantes universales y procesos comunes que son fundamentales para conocer las formas de vida. Por ejemplo, todas
las formas de vida están compuestas por células, que están basadas en una bioquímica común, que es la química de los seres
vivos. Todos los organismos perpetúan sus caracteres hereditarios mediante el material genético, que está basado en el ácido
nucleico ADN, que emplea un código genético universal. En la biología del desarrollo la característica de la universalidad
también está presente: por ejemplo, el desarrollo temprano del embrión sigue unos pasos básicos que son muy similares en mucho
organismos metazoos.
Evolución: el principio central de la biología
Artículo principal: Evolución biológica
Uno de los conceptos centrales de la biología es que toda vida desciende de un antepasado común que ha seguido el
proceso de la evolución. De hecho, ésta es una de las razones por la que los organismos biológicos exhiben una semejanza tan
llamativa en las unidades y procesos que se han discutido en la sección anterior. Charles Darwin estableció la credibilidad
de la teoría de la evolución al articular el concepto de selección natural (a Alfred Russell Wallace se le suele reconocer
como codescubridor de este concepto). Con la llamada síntesis moderna de la teoría evolutiva, la deriva genética fue aceptada
como otro mecanismo fundamental implicado en el proceso.
Los cromosomas
Artículo principal:
Cromosoma
El cromosoma es una estructura filamentosa formada por una matriz en la que se dispone una doble hélice
de ADN. Según el estado fisiológico de la célula, los cromosomas pueden estar dispersos por el núcleo, y son inidentificables,
o bien espiralizados formando una especie de bastoncillo. Los cromosomas se presentan por parejas, en una cantidad que es
característica para cada especie. Así, por ejemplo, en los seres humanos el núcleo de la mayor parte de las células contiene
23 pares de cromosomas.
Los genes
Artículo principal: Gen
El gen es la unidad básica
de material hereditario, y físicamente está formado por un segmento del ADN del cromosoma. Atendiendo al aspecto que afecta
a la herencia, esa unidad básica recibe también otros nombres, como recón, cuando lo que se completa es la capacidad de recombianción
(el recón será el segmento de ADN más pequeño con capacidad de recombinarse), y mutón, cuando se atiende a las mutaciones
(y, así, el mutón será el segmento de ADN más pequeño con capacidad de mutarse).
Filogenia
Artículo
principal: Filogenia
Se llama filogenia al estudio de la historia evolutiva y las relaciones genealógicas de las estirpes.
Las comparaciones de secuencias de ADN y de proteínas, facilitadas por el desarrollo técnico de la biología molecular y de
la genómica, junto con el estudio comparativo de fósiles u otros restos paleontológicos, generan la información precisa para
el análisis filogenético. El esfuerzo de los biólogos por abordar científicamente la comprensión y la clasificación de la
diversidad de la vida ha dado lugar al desarrollo de diversas escuelas en competencia, como la fenética, que puede considerarse
superada, o la cladística. No se discute que el desarrollo muy reciente de la capacidad de descifrar sobre bases sólidas la
filogenia de las especies está catalizando una nueva fase de gran productividad en el desarrollo de la biología.
Diversidad:
variedad de organismos vivos
Árbol filogenético de los seres vivos basado en datos sobre su rARN. Los tres
reinos principales de seres vivos aparecen claramente diferenciados: bacterias, archaea y eucariotas tal y como fueron descritas
inicialmente por Carl Woese. Otros árboles basados en datos genéticos de otro tipo resultan similares pero pueden agrupar
algunos organismos en ramas ligeramente diferentes, presumiblemente debido a la rápida evolución del rARN. La relación exacta
entre los tres grupos principales de organismos permanece todavía como un importante tema de debate.A pesar de la unidad subyacente,
la vida exhibe una asombrosa diversidad en morfología, comportamiento y ciclos vitales. Para afrontar esta diversidad, los
biólogos intentan clasificar todas las formas de vida. Esta clasificación científica refleja los árboles evolutivos (árboles
filogenéticos) de los diferentes organismos. Dichas clasificaciones son competencia de las disciplinas de la sistemática y
la taxonomía. La taxonomía sitúa a los organismos en grupos llamados taxa, mientras que la sistemática trata de encontrar
sus relaciones.
Tradicionalmente, los seres vivos se han venido clasificando en cinco reinos:
Monera
Protista
Fungi
Plantae
Animalia
Sin embargo, actualmente este sistema de cinco reinos
se cree desfasado. Entre las ideas más modernas, generalmente se acepta el sistema de tres dominios:
Archaea
(originalmente Archaebacteria)
Bacteria (originalmente Eubacteria)
Eucariota
Estos ámbitos reflejan
si las células poseen núcleo o no, así como las diferencias en el exterior de las células. Hay también una serie de "parásitos"
intracelulares que, en términos de actividad metabólica son cada vez "menos vivos":
Virus
Viroides
Priones
El reciente descubrimiento de una nueva clase de virus, denominado mimivirus, ha causado que se proponga
la existencia de un cuarto dominio debido a sus características particulares, en el que por ahora sólo estaría incluido ese
organismo.
Continuidad: el antepasado común de la vida
Artículo principal: Antepasado común
Se dice que un grupo de organismos tiene un antepasado común si tiene un ancestro común. Todos los organismos existentes
en la Tierra descienden de un ancestro común o, en su caso, de recursos genéticos ancestrales. Este último ancestro común
universal, esto es, el ancestro común más reciente de todos los organismos, se cree que apareció hace alrededor de 3.500 millones
de años (véase origen de la vida).
La noción de que "toda vida proviene de un huevo" (del latín "Omne vivum
ex ovo") es un concepto fundacional de la biología moderna, y viene a decir que siempre ha existido una continuidad de la
vida desde su origen inicial hasta la actualidad. En el siglo XIX se pensaba que las formas de vida podían aparecer de forma
espontánea bajo ciertas condiciones (véase abiogénesis). Los biólogos consideran que la universalidad del código genético
es una prueba definitiva a favor de la teoría del descendiente común universal (DCU) de todas las bacterias, archaea y eucariotas.
Homeostasis: adaptación al cambio
Artículo principal: Homeostasis
Simbiosis entre
un pez payaso del género de los Amphipriones y las anémonas de mar. El pez protege a las anémonas de otros peces comedores
de anémonas mientras que los tentáculos de las anémonas protegen al pez payaso de sus depredadores.La homeostasis es la propiedad
de un sistema abierto para regular su medio interno para mantener unas condiciones estables, mediante múltiples ajustes de
equilibrio dinámico controlados por mecanismos de regulación interrelacionados. Todos los organismos vivos, sean unicelulares
o pluricelulares tienen su propia homeostasis. Por poner unos ejemplos, la homeostasis se manifiesta celularmente cuando se
mantiene una acidez interna estable (pH); a nivel de organismo, cuando los animales de sangre caliente mantienen una temperatura
corporal interna constante; y a nivel de ecosistema, al consumir dióxido de carbono las plantas regulan la concentración de
esta molécula en la atmósfera. Los tejidos y los órganos también pueden mantener su propia homeostasis.
Interacciones:
grupos y entornos
Todos los seres vivos interactúan con otros organismos y con su entorno. Una de las razones por
las que los sistemas biológicos pueden ser difíciles de estudiar es que hay demasiadas interacciones posibles. La respuesta
de una bacteria microscópica a la concentración de azúcar en su medio (en su entorno) es tan compleja como la de un león buscando
comida en la sabana africana. El comportamiento de una especie en particular puede ser cooperativo o agresivo; parasitario
o simbiótico. Los estudios se vuelven mucho más complejos cuando dos o más especies diferentes interactúan en un mismo ecosistema;
el estudio de estas interacciones es competencia de la ecología.
Alcance de la biología
Artículo
principal: Disciplinas de la Biología
La biología se ha convertido en una iniciativa investigadora tan vasta que generalmente
no se estudia como una única disciplina, sino como un conjunto de subdisciplinas. Aquí se considerarán cuatro amplios grupos.
El primero consta de disciplinas que estudian las estructuras básicas de los sistemas vivos: células, genes,
etc.;
el segundo grupo considera la operación de estas estructuras a nivel de tejidos, órganos y cuerpos;
una
tercera agrupación tiene en cuenta los organismos y sus historias;
la última constelación de disciplinas está enfocada
a las interacciones.
Sin embargo, es importante señalar que estos límites, agrupaciones y descripciones son una descripción
simplificada de la investigación biológica. En realidad los límites entre disciplinas son muy inseguros y, frecuentemente,
muchas disciplinas se prestan técnicas las unas a las otras. Por ejemplo, la biología de la evolución se apoya en gran medida
de técnicas de la biología molecular para determinar las secuencias de ADN que ayudan a comprender la variación genética de
una población; y la fisiología toma préstamos abundantes de la biología celular para describir la función de sistemas orgánicos.
Estructura de la vida
Artículos principales: Biología molecular, Biología celular, Genética,
Biología del desarrollo, y Bioquímica
Esquema de una típica célula animal con sus orgánulos y estructurasLa
biología molecular es el estudio de la biología a nivel molecular. El campo se solapa con otras áreas de la biología, en particular
con la genética y la bioquímica. La biología molecular trata principalmente de comprender las interacciones entre varios sistemas
de una célula, incluyendo la interrelación de la síntesis de proteínas de ADN y ARN y del aprendizaje de cómo se regulan estas
interacciones.
La biología celular estudia las propiedades fisiológicas de las células, así como sus comportamientos,
interacciones y entorno; esto se hace tanto a nivel microscópico como molecular. La biología celular investiga los organismos
unicelulares como bacterias y células especializadas de organismos pluricelulares como los humanos.
La comprensión
de la composición de las células y de cómo funcionan éstas es fundamental para todas las ciencias biológicas. La apreciación
de las semejanzas y diferencias entre tipos de células es particularmente importante para los campos de la biología molecular
y celular. Estas semejanzas y diferencias fundamentales permiten unificar los principios aprendidos del estudio de un tipo
de célula, que se puede extrapolar y generalizar a otros tipos de células.
La genética es la ciencia de los
genes, herencia y la variación de los organismos. En la investigación moderna, la genética proporciona importantes herramientas
de investigación de la función de un gen particular, esto es, el análisis de interacciones genéticas. Dentro de los organismos,
generalmente la información genética se encuentra en los cromosomas, y está representada en la estructura química de moléculas
de ADN particulares.
Los genes codifican la información necesaria para sintetizar proteínas, que a su vez,
juegan un gran papel influyendo (aunque, en muchos casos, no lo determinan completamente) el fenotipo final del organismo.
La biología del desarrollo estudia el proceso por el que los organismos crecen y se desarrollan. Con origen
en la embriología, la biología del desarrollo actual estudia el control genético del crecimiento celular, la diferenciación
celular y la morfogénesis, que es el proceso por el que se llega a la formación de los tejidos, de los órganos y de la anatomía.
Los organismos modelo de la biología del desarrollo incluyen el gusano redondo Caenorhabditis elegans, la
mosca de la fruta Drosophila melanogaster, el pez cebra Brachydanio rerio, el ratón Mus musculus y la hierba Arabidopsis thaliana.
Fisiología de los organismos
Artículos principales: Fisiología y Anatomía
La fisiología
estudia los procesos mecánicos, físicos y bioquímicos de los organismos vivos, e intenta comprender cómo funcionan todas las
estructuras como una unidad. El funcionamiento de las estructuras es un problema capital en biología.
Tradicionalmente
se han dividido los estudios fisiológicos en fisiología vegetal y animal, aunque los principios de la fisiología son universales,
no importa qué organismo particular se está estudiando. Por ejemplo, lo que se aprende de la fisiología de una célula de levadura
puede aplicarse también a células humanas.
El campo de la fisiología animal extiende las herramientas y los
métodos de la fisiología humana a las especies animales no humanas. La fisiología vegetal también toma prestadas técnicas
de los dos campos.
La anatomía es una parte importante de la fisiología y considera cómo funcionan e interactúan
los sistemas orgánicos de los animales como el sistema nervioso, el sistema inmunológico, el sistema endocrino, el sistema
respiratorio y el sistema circulatorio. El estudio de estos sistemas se comparte con disciplinas orientadas a la medicina,
como la neurología, la inmunología y otras semejantes. La anatomía comparada estudia los cambios morfofisiológicos que han
ido experimentando las especies a lo largo de su historia evolutiva, valiéndose para ello de las homologías existentes en
las especies actuales y el estudio de restos fósiles.
Por otra parte, más allá del nivel de organización organísmico,
la ecofisiología estudia los procesos fisiológicos que tienen lugar en las interacciones entre organismos, a nivel de comunidades
y ecosistemas, así como de las interrelaciones entre los sistemas vivos y los inertes (como por ejemplo el estudio de los
ciclos biogeoquímicos o los intercambios biosfera-atmósfera).
Diversidad y evolución de los organismos
Artículos principales: Biología de la evolución, Botánica, y Zoología
En el campo de la genética de
poblaciones la evolución de una población de organismos puede representarse como un recorrido en un espacio de adaptación.
Las flechas indican el flujo de la población sobre el espacio de adaptación y los puntos A, B y C representarían máximos de
adaptabilidad locales. La bola roja indica una población que evoluciona desde una baja adaptación hasta la cima de uno de
los máximos de adaptación.La biología de la evolución trata el origen y la descendencia de las especies, así como su cambio
a lo largo del tiempo, esto es, su evolución. Es un campo global porque incluye científicos de diversas disciplinas tradicionalmente
orientadas a la taxonomía. Por ejemplo, generalmente incluye científicos que tienen una formación especializada en organismos
particulares, como la teriología, la ornitología o la herpetología, aunque usan estos organismos como sistemas para responder
preguntas generales de la evolución. Esto también incluye a los paleontólogos que a partir de los fósiles responden preguntas
acerca del modo y el tempo de la evolución, así como teóricos de áreas tales como la genética de poblaciones y la teoría de
la evolución. En los años 90 la biología del desarrollo hizo una reentrada en la biología de la evolución desde su exclusión
inicial de la síntesis moderna a través del estudio de la biología evolutiva del desarrollo. Algunos campos relacionados que
a menudo se han considerado parte de la biología de la evolución son la filogenia, la sistemática y la taxonomía.
La
dos disciplinas tradicionales orientadas a la taxonomía más importantes son la botánica y la zoología. La botánica es el estudio
científico de las plantas. La botánica cubre un amplio rango de disciplinas científicas que estudian el crecimiento, la reproducción,
el metabolismo, el desarrollo, las enfermedades y la evolución de la vida de la planta.
La zoología es la
disciplina que trata el estudio de los animales, incluyendo la fisiología, la anatomía y la embriología. La genética común
y los mecanismos de desarrollo de los animales y las plantas se estudia en la biología molecular, la genética molecular y
la biología del desarrollo. La ecología de los animales está cubierta con la ecología del comportamiento y otros campos.
Clasificación
de la vida
El sistema de clasificación dominante se llama taxonomía de Linneo, e incluye rangos y nomenclatura binomial.
El modo en que los organismos reciben su nombre está gobernado por acuerdos internacionales, como el Código Internacional
de Nomenclatura Botánica (CINB o ICBN en inglés), el Código Internacional de Nomenclatura Zoológica (CINZ o ICZN en inglés)
y el Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana (CINB o ICNB en inglés). En 1997 se publicó un cuarto borrador del biocódigo
(BioCode) en un intento de estandarizar la nomenclatura en las tres áreas, pero no parece haber sido adoptado formalmente.
El Código Internacional de Clasificación y Nomenclatura de Virus (CICNV o ICVCN en inglés) permanece fuera del BioCode.
Organismos
en interacción
Artículos principales: Ecología, Etología, y Comportamiento
La ecología estudia la distribución
y la abundancia de organismos vivos y las interacciones de estos organismos con su entorno. El entorno de un organismo incluye
tanto su hábitat, que se puede describir como la suma de factores abióticos locales como el clima y la geología, así como
con los otros organismos con los que comparten ese hábitat. Las interacciones entre organismos pueden ser inter- o intraespecíficas,
y estas relaciones se pueden clasificar según si para cada uno de los agentes en interacción resulta beneficiosa, perjudicial
o neutra.
Uno de los pilares fundamentales de la ecología es estudiar el flujo de energía que se propaga a
través de la red trófica, desde los productores primarios hasta los consumidores y detritívoros, perdiendo calidad dicha energía
en el proceso al disiparse en forma de calor. El principal aporte de energía a los ecosistemas es la energía proveniente del
sol, pero las plantas (en ecosistemas terrestres, o las algas en los acuáticos) tienen una eficiencia fotosintética limitada,
al igual que los herbívoros y los carnívoros tienen una eficacia heterotrófica. Ésta es la razón por la que un ecosistema
siempre podrá mantener un mayor número y cantidad de herbívoros que de carnívoros, y es por lo que se conoce a las redes tróficas
también como "pirámides", y es por esto que los ecosistemas tienen una capacidad de carga limitada (y la misma razón por la
que se necesita mucho más territorio para producir carne que vegetales).
Los sistemas ecológicos se estudian
a diferentes niveles, desde individuales y poblacionales (aunque en cierto modo puede hablarse de una "ecología de los genes",
infraorganísmica), hasta los ecosistemas completos y la biosfera, existiendo algunas hipótesis que postulan que esta última
podría considerarse en cierto modo un "supraorganismo" con capacidad de homeostasis. La ecología es una ciencia multidisciplinar
y hace uso de muchas otras ramas de la ciencia, al mismo tiempo que permite aplicar algunos de sus análisis a otras disciplinas:
en teoría de la comunicación se habla de Ecología de la información, y en marketing se estudian los nichos de mercado. Existe
incluso una rama del pensamiento económico que sostiene que la economía es un sistema abierto que debe ser considerado como
parte integrante del sistema ecológico global.
La etología, por otra parte, estudia el comportamiento animal
(en particular de animales sociales como los insectos sociales, los cánidos o los primates), y a veces se considera una rama
de la zoología. Los etólogos se han ocupado, a la luz de los procesos evolutivos, del comportamiento y la comprensión del
comportamiento según la teoría de la selección natural. En cierto sentido, el primer etólogo moderno fue Charles Darwin, cuyo
libro La expresión de las emociones en los animales y hombres influyó a muchos etólogos posteriores al sugerir que ciertos
rasgos del comportamiento podrían estar sujetos a la misma presión selectiva que otros rasgos meramente físicos.
El
especialista en hormigas E.O.Wilson despertó una aguda polémica en tiempos más recientes con su libro de 1980 Sociobiología:
La Nueva Síntesis, al pretender que la sociobiología debería ser una disciplina matriz, que partiendo de la metodología desarrollada
por los etólogos, englobase tanto a la psicología como a la antropología o la sociología y en general a todas las ciencias
sociales, ya que en su visión la naturaleza humana es esencialmente animal. Este enfoque ha sido criticado por autores como
el genético R.C.Lewontin por exhibir un reduccionismo que en última instancia justifica y legitima las diferencias instituidas
socialmente.
La etología moderna comprende disciplinas como la neuroetología, inspiradas en la cibernética
y con aplicaciones industriales en el campo de la robótica y la neuropsiquiatría. También toma prestados muchos desarrollos
de la teoría de juegos, especialmente en dinámicas evolutivas, y algunos de sus conceptos más populares son el de gen egoísta,
creado por Richard Dawkins o el de Meme.
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